Технологии термоядерного синтеза неожиданно стали модной темой для частных инвесторов. Суммарные инвестиции в негосударственные термоядерные стартапы составили уже около пяти миллиардов долларов. Есть примеры прорывных элементов этой технологии. Но быстрое внедрение термояда в энергетику наталкивается на препятствия: технических проблем пока хватает, рентабельность технологии все еще трудно оценить, а про цепочки поставок сырья и комплектующих только предстоит подумать

Проект экспериментального термоядерного реактора ITER

Энергия термоядерного синтеза уже много десятилетий остается недостижимой мечтой человечества. Многообещающий источник дешевой энергии, безопасной и экологичной. А еще с высочайшим соотношением энергии и ее плотности, при отсутствии радиоактивных отходов. Поиск технологий термоядерного синтеза начался с 1950-х годов, сначала как секретная программа, а затем, после знаменательной конференции 1958 года, — как открытое международное сотрудничество. Но на протяжении всей истории этих разработок эти технологии остаются недосягаемыми для ученых и инженеров мира, прочно укоренившись лишь в фантастических романах. Скептики постоянно шутят: мол, последние 50 лет до успеха реализации проекта термоядерного синтеза все время оставалось 20 лет.

Про «миф о термоядерном синтезе» писал, к примеру, в 2007 году в статье Project Syndicate физик Себастьен Балибар. Господин Балибар в то время занимал пост директора престижного исследовательского института CNRS во Франции. «Если термоядерный синтез когда-нибудь заработает на промышленных электростанциях, это займет много десятилетий», — говорил он. По его самым оптимистичным прогнозам, это произойдет не раньше 2050 года.

Прошло 15 лет, и вот в этой индустрии появилась добрая порция оптимизма. Некоторые эксперты, к примеру из консалтинговой компании McKinsey, предлагают готовиться к возможной термоядерной революции. «На данный момент энергия, необходимая для запуска реакции термоядерного синтеза, превышает энергию, которую излучает этот синтез, — пишет в своем отчете McKinsey. — Но есть основания полагать, что недавние технологические достижения и живейший интерес частных инвесторов могут привести к прорыву в этой отрасли».

Интерес частных инвесторов действительно трудно не заметить. Ранее в термоядерный синтез готовы были вкладываться только государственные структуры. Но вдруг в одночасье, примерно год-полтора назад, в стартапы, разрабатывающие термоядерные установки, полился золотой дождь. За 2021 год в это направление было инвестировано почти столько же, а возможно, даже больше, чем за все годы существования стартапов в этой индустрии.

По подсчетам консалтинговой фирмы Pitchbook, в области ядерного синтеза появилось уже 42 стартапа. Пока не все они получили необходимые капиталы для развития, но общая привлеченная сумма — 4,86 млрд долларов — впечатляет. Лидирует компания Commonwealth Fusion Systems с капиталом в размере 2,06 млрд долларов, за ней следует TAE Technologies с 1,35 млрд долларов. Согласно последнему отчету Ассоциации термоядерной индустрии (Fusion Industry Association), пять других компаний привлекли немалые суммы: Helion Energy — 577 млн долларов, General Fusion — 300 млн, Tokamak Energy — 250 млн, а ENN и ZAP Energy — по 200 млн долларов каждая.

Большая часть средств в эту индустрию поступила от венчурных капиталистов и очень богатых людей, таких как Билл Гейтс, который инвестировал в TAE Technologies, и Джефф Безос — он вложился в General Fusion. Гуру венчурного инвестирования Сэм Альтман (CEO OpenAI и бывший президент бизнес-инкубатора Y Combinator) инвестировал в 2021 году в Helion Energy. Стратегические инвесторы, в том числе из энергетической отрасли, тоже не отстают: недавний раунд финансирования TAE Technologies привлекла 250 млн долларов от Chevron, Sumitomo и Google. А нефтедобывающие Eni и Equinor вложились в Commonwealth Fusion Systems.

По сути, произошло коренное изменение структуры исследователей в области термоядерного синтеза. Раньше большинство исследований в этой области проводились в научно-ориентированных, финансируемых государством лабораториях. Теперь запущена новая волна частных программ, а также программ, направленных на коммерческую жизнеспособность этой технологии в государственном секторе.

Осенью 2022 года (?) министерство энергетики США, к примеру, сообщило, что впервые в истории государства оно готово направлять бюджетное финансирование на развитие термоядерной энергетики частным компаниям. Тем самым американские власти дают инвесторам понять, что верят в скорое появление коммерческого термояда, и своим примером приглашают бизнес вкладывать деньги в это направление. В 2020 году Конгресс США проголосовал за частно-государственное партнерство в термоядерных проектах, и теперь в бюджет 2023 (?) года впервые для этого заложена определенная сумма: на эти цели разрешено потратить до 415 млн долларов. Доступ к капиталу позволит частным стартапам создавать и разрабатывать полномасштабные прототипы для строительства термоядерных машин.

Несколько крупных государственных лабораторий в мире также запускают программы создания коммерчески жизнеспособных действующих термоядерных машин. Например, цель программы STEP в Великобритании (на базе исследовательского центра термоядерного синтеза в Калхэме) — создание новой термоядерной установки к 2040 году, а китайская программа термоядерного синтеза недавно ускорила планы строительства Китайского испытательного реактора Fusion Engineering, прототипа коммерческой термоядерной установки.

Поэтому неудивительны результаты опроса, проведенного Fusion Industry Association. На вопрос «когда первая термоядерная электростанция поставит электроэнергию в сеть?» 18 из 27 компаний заявили, что произойдет это в промежутке между 2025 и 2035 годами. Четыре из них считают, что это случится раньше 2030 года.

Акционер Helion Energy Сэм Альтман еще более амбициозен и обещает через 10 лет чистую энергию по цене один цент за киловатт-час и возможность производить достаточное количество электростанций, чтобы удовлетворить текущие потребности планеты.

Старший партнер McKinsey Миклош Габор Дитц и его коллеги советуют бизнесменам и правительствам стран мира уже сейчас подумать о том, как работающая термоядерная машина может изменить энергетический ландшафт и привести к новым возможностям инфраструктуры и цепочки поставок.

Просто не верится! Что же такого прорывного в этой отрасли случилось и чем обусловлен азарт частных инвесторов? 

Академик Лев Арцимович

ДЕСЯТКИ ЛЕТ УДЕРЖАНИЯ

Академик Лев Арцимович в свое время сформулировал два критерия, которые должны быть выполнены, чтобы запустить термоядерный реактор. Первое условие: температура вещества в реакторе должна превосходить некоторый минимальный уровень. Это зависит от типа горючего. Чаще всего в качестве ядерного горючего используют простой дейтерий или смесь дейтерия и трития. Для оптимального ядерного горючего, каковым является смесь дейтерия с тритием, температура должна быть выше 100 млн градусов Цельсия. А для чистого дейтерия она должна достигать примерно 1 млрд градусов и больше.

Второе условие требует, чтобы у каждого ядра, находящегося в веществе, была достаточная вероятность за время существования в системе вызвать ядерную реакцию. Это означает, что ядро должно встретить на своем пути достаточное количество других ядер. Количество встречных ядер, с которыми возможно взаимодействие, будет пропорционально концентрации вещества, то есть числу частиц в 1 см3, и времени существования ядра. По Арцимовичу, все определяется произведением nτ, где n — концентрация, а τ — время существования. Для смеси дейтерия с тритием, к примеру, необходимо, чтобы эта величина была больше, чем 1014, а для чистого дейтерия она должна превышать примерно 1016.

При очень высокой температуре любое вещество существует только в виде плазмы, то есть ионизированного газа. В таком состоянии атомы теряют принадлежащие им электроны и вещество превращается в смесь положительно заряженных ядер и электронов. В термоядерной установке плазма должна быть с более высокой концентрацией и с более длительным временем сохранения в ней быстрых частиц.

Еще в 50-е годы прошлого века стало понятно, что это трудная задача, так как, если разогреть плазму, ее быстрые частицы будут уносить энергию на стенки сосуда, внутри которого плазма создается. Нужно было решить задачу удержания горячих частиц в ограниченном объеме. Создание условий температуры и давления, необходимых для инициирования реакции в термоядерной установке, стало большой научной и технологической задачей, настолько серьезной, что после почти 70 лет экспериментов рабочего решения пока найти не удалось.

Из множества конструкций термоядерных машин для решения проблем удержания плазмы наиболее удачных типов оказалось три: инерционное удержание, магнитное удержание (токамаки, стеллараторы и другие) и слияние с намагниченной мишенью (гибрид между двумя первыми).

Используя ионные или лазерные лучи, термоядерные устройства инерционного удержания работают так: в каплю топлива, состоящего из дейтерия и трития, которая помещается в крошечную капсулу из золота, выстреливают мощными лазерными лучами, которые преобразуются в рентгеновское излучение и мгновенно разогревают капсулу до 100 млн градусов Цельсия и сжимают более чем до 100 млрд атмосфер, превращая в плазму. Когда достигается критический порог, ударно-волновой нагрев воспламеняет гранулу. Процесс предполагает организацию повторяемых взрывов и высвобождение энергии, подобно двигателю внутреннего сгорания. Предполагается, что этот метод может быть использован для создания термоядерной электростанции, способной зажигать топливные таблетки несколько раз в секунду. Пар, полученный за счет тепла, мог бы использоваться для питания турбин, вырабатывающих энергию. Но пока это все больше в теории и в виде экспериментов.

Эксперты говорят, что в системах с инерционным удержанием энергия взрыва мишени настолько велика, что ее будет трудно удержать в камере разумных размеров. Неудивительно, что установки термоядерного синтеза с инерционным удержанием больше используются военными для изучения физики термоядерного оружия и моделирования его эффектов.

Технология магнитного удержания носит в большей степени гражданский характер, и потому именно это направление стало доступным для частных инвестиций. Большинство термоядерных стартапов, куда смог попасть частный капитал, — это проекты с технологией магнитного удержания.

В технологии магнитного удержания через плазму пропускают мощный электрический ток, повышающий ее температуру. Плазма удерживается магнитным полем, в установке постоянно выделяется энергия синтеза, как в непрерывно работающей топке. Один из вариантов такой топки — токамак, идея которого была предложена в Советском Союзе. Суть ее в том, что заряженные частицы, из которых состоит плазма, не могут перемещаться свободно поперек магнитного поля, а могут двигаться только вдоль силовых линий поля. Для этого токамак удерживает плазму в контейнере, напоминающем бублик.

В мире построено около 300 экспериментальных токамаков. Самый большой строится во Франции — это термоядерная установка ITER, международный проект, в котором участвует и Россия.

У всех этих установок основная проблема заключается в сложности предотвращения утечки энергии, а это означает, что термоядерные машины пока потребляют больше энергии, чем производят. Но теперь энтузиасты этой технологии считают, что появились основания для оптимизма: мол, технологии термоядерного синтеза проходят переломный этап.

УЖЕ БЛИЖЕ К РЕАЛЬНОСТИ

Действительно, развитие передовых технологий позволило термоядерному синтезу преодолеть старые барьеры.

Например, 3D-печать дала возможность производить детали сложной геометрической формы, необходимые для изготовления стенок термоядерных машин, с низкими затратами, а конструкции быстро повторять.

Резко выросшие вычислительные мощности позволили более подробно представлять реакции синтеза, благодаря этому можно делать прогнозы по производительности без затрат на проведение крупных и дорогих экспериментов.

А цифровое управление позволило улучшить подавление вибраций, вызывающих утечку энергии.

Декларируется, что к 2025 году ведущие частные игроки в области термоядерного синтеза планируют продемонстрировать или уже продемонстрировали основные подсистемы эффективно работающей установки. К ним относятся мощные высокотемпературные сверхпроводящие и сверхсильные магниты (разработка Commonwealth Fusion Systems, 2021 год), которые могут помочь уменьшить размеры коммерческих термоядерных реакторов; плазменные инжекторы (такие как инжектор P13, продемонстрированный General Fusion в 2017 году); системы радиочастотного нагрева и новые материалы для стенок термоядерной установки, которые могут выдерживать сильный жар. Если успешные испытания этих основных подсистем и компонентов пройдут к 2025 году, это может означать, что к концу десятилетия начнут функционировать заводы-прототипы, считают в McKinsey. «К 2026 году мы ожидаем увидеть хотя бы одного игрока, который интегрирует все основные подсистемы в функционирующий прототип и сможет проверить производительность на уровне системы. Такой прототип также позволит впервые провести оценку стоимости изготовления и сборки деталей термоядерной машины по классу 4 (уровень технико-экономического обоснования). Это будет первая модель экономики термоядерной электростанции, которая действительно может внушать доверие», — пишут аналитики McKinsey в своем отчете.

У частных инвесторов появились даже трендовые разновидности термоядерных технологий. Одной из модных разновидностей термоядерных установок магнитного удержания стала так называемая открытая ловушка, ее еще называют Field Reversed Configuration (FRC), или магнитная бутылка. Сама установка гораздо меньше по размеру, чем токамаки, а значит, заведомо дешевле.

Установку «магнитная бутылка» тестируют сейчас, к примеру, компании TAE Technologies, Helion Energy, Princeton Fusion Systems и другие. Первые две, напомним, входят в тройку частных стартапов, привлекших наибольшую сумму инвестиций в термоядерный синтез.

Такую же установку в свое время построила команда Института ядерной физики им. Г. И. Будкера Сибирского отделения РАН. В Новосибирске это устройство дало такой результат, что американские исследователи пригласили российских коллег помогать в работе на компактных термоядерных реакторах. Россияне работали как раз над проектом TAE Technologies, а теперь хотят строить более совершенную свою, ищут инвесторов в проект

Аналоги новосибирской «магнитной бутылки» пытались разрабатывать и в США, однако в 80-х годах прошлого века американские ученые сочли «магнитные бутылки» тупиковыми. Но, оказалось, что у этой технологии есть свои преимущества. Основная «фишка» в «открытых ловушках» — электромагнитное поле, в котором удерживается плазма. Оно здесь более равномерное, чем в токамаке, и находится гораздо ближе к плазме. Это намного удобнее. К тому же из открытой ловушки гораздо удобнее удалять продукты реакции. Но есть и свои недостатки: у «открытой ловушки» — открытый контур, и оттуда плазма может утекать. Над этим, впрочем, ведется работа.

Главный технологический долгострой эпохи. Прованс, Франция. Вид с воздуха на площадку ядерного реактора ИТЭР, исследовательский институт атомной энергии Международной организации термоядерной энергии Кадараш

НАРИСУЕМ, БУДЕМ ЖИТЬ

Сейчас рисуются смелые прогнозы рынка технологий и использования термоядерного синтеза. Если верить Technology Insight, мировой рынок термоядерного синтеза в 2030 году составит 471 млрд долларов, а технология магнитного удержания станет крупнейшим сегментом установок термоядерного синтеза объемом в 344 млрд долларов. Столь радужные прогнозы предполагают, что за довольно короткий срок должны быть разработаны технологии, стоимость запуска которых должна быть привлекательной для инвесторов, чтобы оправдать строительство заводов и цепочек поставок, необходимых для их расширения.

Верить в столь быстрое распространение еще сырой технологии не очень-то получается. Лучшая на сегодня попытка в термоядерных технологиях — 101 секунда удержания плазмы при температуре 120 млн градусов Цельсия: такого результата несколько месяцев назад добились китайцы. Такой температуры более чем достаточно для того, чтобы синтез стал самоподдерживающимся (в ядре Солнца, для сравнения, 15 млн градусов), но менее трех минут жизни плазмы пока что совершенно недостаточно для промышленного производства энергии.

Энергетический термоядерный реактор предполагает, что мощность, выделяемая в процессе интенсивной термоядерной реакции, должна превосходить затрачиваемую на поддержание плазмы не менее чем в 10 раз, только тогда возможна эффективная его работа. Но в таком случае на стенку камеры идет очень высокий поток частиц, который ее разрушает. Проблема первой стенки — одна из важнейших для энергетического реактора. Пока, несмотря на демонстрацию новых материалов, она не решена.

Кроме того, машины сложны: для них требуются самые совершенные в мире магниты, сложные в изготовлении материалы, способные выдерживать интенсивные температуры на внутренней стенке машины, и субмиллиметровая точность для обрабатываемых деталей диаметром несколько метров. Все это пока что испытывается.

В процессе термоядерного синтеза выделяется большое количество нейтронов (по крайней мере, в обычных реакциях), которые приводят к нейтронному охрупчиванию, что снижает прочность опорных конструкций и проводимость металлической проводки.

Кстати, технологические системы отведения энергии и тепла от термоядерной установки тоже пока еще в разработке.

Кроме того, никто пока не решил вопросы сырья — трития, основного вида топлива, соответствующего достигнутым на сегодня температурам, которые позволяют запустить реакцию термояда. Производство трития пока что чрезвычайно мало в глобальном масштабе, и хранится он из-за радиоактивного распада недолго, что ограничивает его поставки во всем мире. Это может стать еще одним из множества барьеров для дальнейшего развития термоядерной энергетики.

Далее. По оценкам, электростанции на базе ИТЭР получаются в десять раз дороже установок ядерного деления той же удельной мощности, которые считаются слишком дорогими для постоянной эксплуатации в развитых странах мира. Что же тогда будут говорить потребители о рентабельности термоядерной энергетической установки?

И наконец, поверить, что цепочку создания термоядерной установки — от поставок деталей, разработки на ранней стадии, окончательной разработки, строительства, финансирования, эксплуатацию и до вывода из эксплуатации по окончании срока службы — возможно проработать за восемь лет, как прочат в Technology Insight тоже не получается никак.

Но стартаперам надо же во что-то верить и чем-то надо мотивировать боевой инвестиционный дух, особенно в свете очередной волны борьбы Запада за энергетическую независимость. Так что, возможно, этот запал частного капитала поможет в течение следующего десятилетия определить, действительно ли термоядерный синтез находится на пути к внедрению или снова затухнет до следующей технологической волны и новых инженерных решений.