Один из пунктов ежегодного выпуска «10 шокирующих прогнозов» Saxo Bank называется «Прорыв в области термоядерных технологий даст человечеству энергию в избытке».

Питер Гарнри, руководитель отдела стратегии на фондовом рынке Saxo Bank, уверен, что человечество не может пока освоить новые технологии из-за нехватки электроэнергии. В пункте, посвященном энергетике, он отметил: «Начиная с древесины и заканчивая ископаемым топливом, повышение плотности энергии рождало целые новые отрасли промышленности, а также рост производительности труда и благосостояния общества. Недостаток дешевой энергии высокой плотности — ​основное препятствие на пути освоения многообещающих технологий будущего, таких как вакуумные поезда Hyperloop, искусственный интеллект, получение водорода путем электролиза и опреснение воды. Миру нужно больше энергии, если мы хотим развивать экономику темпами, сопоставимыми с историческими».

По его мнению, новые альтернативные ВИЭ не справятся с задачей радикально удешевить и увеличить объем производства электроэнергии: «Да, они наносят меньше вреда окружающей среде, но системные эффекты, связанные с низкой плотностью вырабатываемой ими энергии, фактически представляют собой большой шаг назад. Миру срочно нужно сделать рывок в энергетических технологиях».

Решить ее сможет коммерческая термоядерная энергетика: «Наступает 2021 год, когда продвинутые алгоритмы искусственного интеллекта помогут решить сложнейшие нелинейные задачи физики плазмы, что откроет путь к коммерческому использованию термоядерного синтеза». Плотность энергии в термоядерных реакциях действительно наивысшая, среди известных и составляет 645 млн Мдж/кг. Для сравнения, плотность энергии бензинового двигателя (без учета массы генератора) составляет 8–10,5 МДж/кг.

Свой прогноз Питер Гарнри делает, вдохновившись термоядерным реактором SPARC, который разрабатывает Массачусетский технологический институт при поддержке Министерства энергетики США.

Однако исследованиями в области термоядерного синтеза и его практическим применением занимаются не только США, но и Китай, Россия и Европа.

Россия ведет разработки в области термоядерной энергетики как самостоятельно, так и в составе международного проекта ITER. В Росатоме термоядерную тематику развивают две организации. Саровский РФЯЦ ВНИИЭФ занимается инерциальным термоядерным синтезом. НИЦ «Курчатовский институт» специализируется на магнитном термоядерном синтезе.

Инерциальный термоядерный синтез в РФЯЦ-ВНИИЭФ

В классическом виде принцип действия инерциального термоядерного синтеза такой: сферическую топливную мишень, которая представляет собой несколько вложенных друг в друга шаровых слоев оболочек и топлива, надо сжать до плотности, на три порядка превышающей обычную. Сжимать планируют лазерами или пучками ионов. Под их воздействием внешний слой оболочки мишени испаряется и создает реактивную отдачу, воздействуя на внутренний слой. Тот, в свою очередь, сжимает топливо. Ударная волна должна быть такой силы, чтобы повысить температуру топлива до уровня, необходимого для начала термоядерной реакции.

РФЯЦ-ВНИИЭФ в начале декабря 2020 года сообщил о запуске первого модуля самой мощной в мире лазерной установки — ​УФЛ‑2М, необходимой для проведения экспериментов по управляемому инерциальному термоядерному синтезу и исследований свойств вещества в экстремальных состояниях: при сверхвысоких давлениях и температурах.

Первый модуль — ​это восемь каналов лазерной установки. В общей сложности на УФЛ‑2М будет 192 лазерных канала. Иначе говоря, 192 лазерных луча смогут воздействовать на мишени с разных сторон. К термоядерным мишеням, размещаемым в установке, будет подводиться в полтора раза больше импульсной энергии, чем на американской лазерной установке NIF — ​рекордный показатель как для введенных, так и для строящихся лазерных систем.

«В РФЯЦ-ВНИИЭФ постоянно модернизируется вычислительная база для расчетного моделирования работы топливной капсулы инерциального термоядерного синтеза, исследуются протекающие физические процессы, оптимизируются параметры воздействия для реализации термоядерного горения. В ближайшие годы на строящейся мощной лазерной установке мы ожидаем получить новые экспериментальные данные», — ​заверил начальник научно-исследовательского отдела института теоретической и математической физики РФЯЦ-ВНИИЭФ Артем Гнутов.

Новые знания помогут лучше понять процессы, происходящие в звездах, и выявить возможности для создания новых источников энергии. Эксперименты на новой установке начнут проводить в 2021 году. «РФЯЦ-ВНИИЭФ имеет все шансы первым в мире добиться желаемого «зажигания» термоядерных реакций в мишенях», — ​заявил во время доклада на научной сессии Российской академии наук генеральный конструктор по лазерным системам, заместитель директора РФЯЦ-ВНИИЭФ по лазерно-физическому направлению академик РАН Сергей Гаранин.

Магнитный термоядерный синтез в Курчатовском институте

Принцип действия магнитного термоядерного синтеза заключается в том, что магнитное поле удерживает высокотемпературную плазму, не давая ей соприкасаться со стенами камеры — ​токамака. Токамак расшифровывается как «тороидальная камера с магнитными катушками».

Специалисты Курчатовского института завершили в декабре прошлого года эскизное проектирование гибридной установки, которая используется как реакции термоядерного синтеза, так и реакции ядерного деления. В этой установке термоядерный синтез используется в качестве источника нейтронов для управления активной зоной «обычного» ядерного реактора. «Подпитка плазмы термоядерным топливом — ​тяжелыми изотопами водорода (дейтерием и тритием), удаление продуктов термоядерной реакции (гелия) и, главное, возможность многократного использования топливной смеси в топливном цикле — ​обеспечивает условия для непрерывной работы термоядерного реактора и гибридной системы», — ​пояснил выгоды установки ведущий научный сотрудник НИЦ «Курчатовский институт» Сергей Ананьев.

Еще одно преимущество гибридной технологии, которую видят в «Курчатовском институте», в том, что с их помощью можно эффективно перерабатывать долгоживущие ядерные отходы атомных электростанций — ​минорные актиниды, а также получать новые виды топлива для реакторов деления.

Следующий шаг — ​создание опытного образца тепловой мощностью до 500 МВт.

ITER…

Россия продолжает участвовать в международном проекте ITER по сооружению термоядерного реактора типа «токамак». Цель проекта — ​продемонстрировать возможность управляемого синтеза в промышленных масштабах. В проекте участвуют страны Евросоюза, Россия, Индия, Китай, США, Южная Корея и Япония.

По договору Россия должна поставить для ITER25 систем сложнейшего высокотехнологичного оборудования. Две из них Россия уже полностью изготовила и поставила точно в срок — ​это сверхпроводники Nb3Sn и NbTi. Качество российских сверхпроводников было признано лучшим в мире.

В ноябре 2020 года Росатом отгрузил первую партию коммутационной аппаратуры для систем электропитания сверхпроводниковых обмоток электромагнитной системы ITER. В первую партию поставки вошли десять коммутирующих аппаратов и десять устройств управления в стоечном исполнении. Оборудование предназначено для защиты AC/DC-преобразователей при возникновении нештатной ситуации.

В партию также вошли волоконно-оптические измерители температуры электрических контактных соединений для системы мониторинга состояния шинопроводов. «Волоконно-оптические датчики естественным образом обеспечивают гальваническую развязку, устойчивы к электромагнитным помехам и изменениям магнитного поля, а также позволяют строить системы с тысячами точек измерения, разнесенных на большие расстояния, что крайне важно, так как суммарная длина шинопроводов ИТЭР превышает 5000 метров», — ​объяснил начальник отдела БИ‑4 НТЦ «Синтез» АО «НИИЭФА» Максим Манзук.

… и другие международные исследования

Представители Курчатовского института участвуют в эксперименте Borexino. Недавно ученые получили доказательства, что на Солнце синтез гелия из водорода происходит не только в результате протон-протонной цепочки взаимодействий, но и в результате реакций, в которые вовлекаются углерод, азот и кислород (CNO-цикл). За теорию, описывающую эту реакцию, немецко-американский физик Ганс Альбрехт Бете получил в 1967 году Нобелевскую премию. Доля таких реакций на Солнце около 1 %.

«Будущие исследования позволят лучше понимать происходящие в звёздах процессы, в частности, уточнить элементный состав Солнца», — ​уверен руководитель Отделения физики нейтрино НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Скорохватов.

Перспективы термоядерных электростанций

Питер Гарнри из Saxo Bank видит в термояде новый источник очень большого объема очень дешевой электроэнергии: «Освоение термоядерной энергии даст миру возможность никогда больше не страдать от недостатка воды или продовольствия благодаря опреснению и вертикальным фермам. Это будет мир дешевого транспорта, полностью роботизированный и автоматизированный, а сегодняшняя молодежь станет последним поколением, которому придется «работать» из нужды. И да, а как насчет параллельного сокращения выбросов CO2, что повернет вспять процесс изменения климата? И, конечно же, термоядерная энергия даст всем странам достаточное количество воды и продовольствия и приведет к самому стремительному и значительному повышению качества жизни за всю историю человечества».

Впрочем, учитывая должность господина Гарнри, можно предположить, что главная его цель — ​перенаправление потоков инвестиций. «Что еще важнее, создание новых разработок в области термоядерного синтеза в течение следующих нескольких лет невозможно без обширных инвестиций со стороны государства и частных компаний», — ​отмечает Питер Гарнри.

Даже краткое знакомство с работами российских ученых в области термоядерного синтеза показывает, что решаемые задачи выходят за пределы генерации электроэнергии для нужд бизнеса и домохозяйств: это и энергетика замкнутого цикла, и изучение природы звезд. «Управляемая термоядерная реакция — ​это «крепкий орешек» в науке. Исследования в интересах термоядерной энергетики проводятся во многих странах мира и являются одним из символов научно-технического прогресса. Зачастую они подталкивают прогресс и в других областях: фундаментальная наука, материаловедение, лазерные и плазменные технологии и прочее. Россия старается идти в ногу со временем, разрабатывая собственные перспективные проекты и продолжая исследования», — ​отмечает Артем Гнутов.

Возможности производства термоядерной электроэнергии в промышленных масштабах надо изучать — ​и это задача уровня международного партнерства. Неудивительно, что российские исследователи считают, что заявления о наступлении нового мира, обеспеченного гражданской термоядерной энергетикой — ​это реальность далеко на 2021 года и даже не ближайших лет.

«Накопленные знания с одной стороны продвигают термоядерную энергетику к практической реализации. А с другой — ​становится все яснее, насколько трудна эта задача. Ученые уже много раз ошибались с прогнозами даже достижения энергетически-значимой термоядерной реакции в лабораторных условиях — ​задачи очень сложной, но технически существенно более простой по сравнению с созданием термоядерного реактора. Поэтому, гражданская термоядерная энергетика — ​это не событие ближайших лет. И надо быть оптимистом, чтобы верить, что она сможет появиться даже через 20–30 лет», — ​говорит Артем Гнутов.

Впрочем, он согласен, что, когда термоядерная энергетика станет обыденностью, она действительно имеет шансы резко изменить энергетику и экономику, сделает доступными технологии, которые требуют для своей реализации больших объемов электроэнергии и в целом изменить жизнь к лучшему.

На фото: Первый модуль самой мощной в мире лазерной установки – УФЛ-2М