http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=870d9d5b-4b6d-4bed-8fde-627e61c21ec0&print=1© 2024 Российская академия наук
В Послании Президента Российской Федерации В.В.Путина Федеральному Собранию Российской Федерации 29.02.2024 среди многих других вопросов также неоднократно рассматривалась проблематика капиталовложений и привлечения инвестиций. В частности, Владимир Владимирович отметил: «Считаю, что мы должны более чем вдвое увеличить совокупные вложения государства и бизнеса в исследования и разработки, довести их долю до двух процентов ВВП к 2030 году и по этому показателю войти в число ведущих научных держав мира. Хочу ещё раз повторить: при этом существенно должны вырасти инвестиции в науку и со стороны частного бизнеса – не менее чем вдвое к 2030 году. Конечно же, главное – это эффективность таких вложений. Речь идёт о достижении конкретного научного результата в каждом конкретном случае. Здесь нужно использовать позитивный опыт наших федеральных научно-исследовательских программ по генетике, сельскому хозяйству, проектов Российского научного фонда».
Президент Российской Федерации В.В.Путин обратил внимание приглашённых на Церемонию оглашения Послания Федеральному Собранию участников и гостей на тот факт, что «в предстоящие шесть лет уровень валовой добавленной стоимости обрабатывающей промышленности России должен увеличиться не менее чем на 40 процентов по сравнению с 2022 годом. Такое форсированное индустриальное развитие означает создание тысячи новых производств, современных, хорошо оплачиваемых рабочих мест», при этом «Компании, реализующие индустриальные проекты, могут выбрать оптимальные меры поддержки, соглашения о защите и поощрении капиталовложений, специальные инвестконтракты, кластерную инвестиционную платформу и так далее». Владимир Владимирович уточнил: «Ещё не менее 200 миллиардов дополнительно выделим в рамках кластерной инвестиционной платформы на субсидирование процентных ставок для проектов по выпуску приоритетной промышленной продукции… Мы ставим цель: к 2030 году объём инвестиций в ключевых отраслях должен прибавить 70 процентов. … Темп роста инвестиций накопленным итогом в 2021 году составил 8,6 процента, а план был 4,5. В 2022 году – 15,9 процента при плане 9,5. А за девять месяцев прошлого года при плане на год 15,1 процента прирост составил 26,6 процента. Надо и дальше двигаться опережающими темпами».
Особое внимание Президент Российской Федерации В.В.Путин уделил финансово-экономической сфере: «Наша банковская система, фондовый рынок должны в полной мере обеспечивать приток капитала в экономику, в её реальный сектор, в том числе через механизмы проектного и акционерного финансирования. В ближайшие два года с использованием фондов акционерного капитала будут поддержаны индустриальные проекты с инвестициями более чем на 200 миллиардов рублей. Смысл такого механизма в том, что Корпорация развития «ВЭБ.РФ» при участии коммерческих банков входит в капитал высокотехнологичных компаний, оказывает содействие на фазе их активного роста». Владимир Владимирович отметил: «российскому фондовому рынку необходимо усилить свою роль как источника инвестиций. Его капитализация к 2030 году должна удвоиться по сравнению с нынешним уровнем и составить 66 процентов ВВП. При этом важно, чтобы у граждан была возможность надёжно инвестировать свои сбережения в развитие страны и получать при этом дополнительные доходы… Уже принято решение: добровольные накопления в негосударственных пенсионных фондах в объёме до двух миллионов восьми тысяч рублей будут застрахованы государством, то есть их возврат гарантирован. Кроме того, будут застрахованы долгосрочные индивидуальные и инвестиционные счета на сумму до 1,4 миллиона рублей. На вложения граждан в долгосрочные финансовые инструменты в размере до 400 тысяч рублей в год распространим единый налоговый вычет».
Президентом Российской Федерации В.В.Путиным в Послании Федеральному Собранию Российской Федерации 29 февраля 2024 года был анонсирован «новый инструмент – так называемый сберегательный сертификат. Граждане смогут размещать свои сбережения в банках на длительный срок – более трёх лет. Сертификат будет безотзывным, а значит, банки смогут предлагать клиентам более высокий выгодный процентный доход. Конечно, эти средства граждан также будут застрахованы государством в размере до 2,8 миллиона рублей, то есть в два раза больше, чем по обычным депозитам в банках». Владимир Владимирович уточнил, что «все меры государственной поддержки инвестиций, создание и модернизация предприятий должны быть увязаны с повышением заработных плат сотрудников, с улучшением условий труда и социальных пакетов для работников».
В Послании Президента Российской Федерации В.В.Путина Федеральному Собранию Российской Федерации 29.02.2024 особое внимание было также уделено вопросам поддержки предпринимательства: «Абсолютное большинство предпринимателей стоит на отечественных, патриотических позициях. И бизнес, который работает здесь, в России, должен иметь гарантии неприкосновенности собственности, активов и своих новых вложений. Вложения сюда и защита инвестиций, защита прав предпринимателей взаимосвязаны, безусловно, и мы должны это обеспечить. Это в интересах государства, всего общества, в интересах миллионов людей, которые трудятся в сфере частного бизнеса, крупного, среднего, малого». Владимир Владимирович отметил всевозрастающую роль экономики данных и космической отрасли «В целом необходимо развивать всю инфраструктуру экономики данных. Я прошу Правительство предложить конкретные меры поддержки компаний и стартапов, которые производят оборудование для хранения и обработки данных, а также создают программное обеспечение. Нужно, чтобы темпы роста инвестиций в отечественные IT-решения как минимум вдвое превышали темпы роста экономики. Условия для использования цифровых систем должны быть не только в мегаполисах, но и в малых городах, в сельских территориях и в отдалённых районах, вдоль федеральных и региональных трасс, местных дорог. Для этого уже в горизонте текущего десятилетия нужно обеспечить доступ к высокоскоростному интернету практически на всей территории России. Решим эту задачу в том числе и за счёт кратного наращивания нашей спутниковой группировки, направим на её развитие 116 миллиардов рублей».
Вопросы регионального обеспечения в Послании Президента Российской Федерации В.В.Путина рассматривались в контексте стратегического развития: «…надо снизить долговую нагрузку субъектов Российской Федерации. Считаю необходимым списать две трети задолженности регионов по бюджетным кредитам. По оценке, это позволит им сохранить порядка 200 миллиардов рублей ежегодно с 2025 по 2028 год. Обращаю внимание: эти сэкономленные средства должны быть, что называется, «окрашены» и целевым образом направлены регионами на поддержку инвестиций и инфраструктурные проекты». Владимир Владимирович уточнил «Предстоят масштабные инвестиции в социальную сферу, демографию, экономику, науку, технологии, инфраструктуру. В этой связи хочу сказать о налоговой системе. Безусловно, она должна обеспечивать поступление ресурсов для решения общенациональных задач, а также для реализации региональных программ, призвана сокращать неравенство, причём не только в обществе, но и в социально экономическом развитии субъектов Федерации; учитывать уровень доходов граждан и компаний. …Предлагаю зафиксировать основные налоговые параметры до 2030 года и обеспечить тем самым стабильные и предсказуемые условия для реализации любых, в том числе долгосрочных, инвестиционных проектов. Именно об этом бизнес и просит в ходе наших прямых контактов… Считаю необходимым уже сейчас не только готовить проект бюджета на очередную трехлетку, но и верстать все основные расходы, инвестиции дальше, на период до 2030 года. То есть, по сути, нам надо формировать шестилетний перспективный финансовый план развития страны, который мы, конечно же, будем дополнять новыми инициативами».
Т.о. в Послании Президента Российской Федерации В.В.Путина был дан не только объективный анализ ситуации по отраслям и регионам, но также были сформированы стратегические цели развития на среднесрочную и долгосрочную перспективу. Немалое внимание Владимир Владимирович уделил вопросам развития фундаментальной и прикладной академической науки по различным направлениям, новым разработкам ученых. Рассмотрим в качестве примера более детально вопросы моделирования одиночного соленоида (секции тороидального магнита) с проверкой модели с использованием аналитического решения.
Для проверки модели тороидального соленоида рассмотрим аналитическую задачу расчета величины магнитного поля соленоида, имеющего вид полого цилиндра длины 2l, внутреннего радиуса a и внешнего радиуса b. Сравнение результатов расчета проведём для магнитного поля, создаваемого цилиндрическим соленоидом. Аналитическое решение этой задачи предполагает, что соленоид характеризуется двумя безразмерными геометрическими параметрами α и β и средней инженерной плотностью тока в обмотке – J. Магнитное поле в центре соленоида конечной длины 2l можно рассчитать с учётом задания тока I и числа витков N. Для расчета магнитной индукции с использованием программного комплекса «COMSOL Multiphysics» задаются значения числа витков N и тока I. Число витков для всех вариантов подбирается в зависимости от критического тока и необходимого магнитного поля. В качестве примера рассмотрим геометрическую модель для варианта a=0,13 м, b=0,18 м, l=0,08 м. Расчетная цилиндрическая область, в которой находится соленоид, имеет радиус R=5·b, а длина цилиндра выбиралась из условия max(5·len, 1,5) м. Тогда можно рассчитать вектор, характеризующий направление тока, протекающего по проводнику эллиптического соленоида в плоскости (x,y).
Исходя из условий, Bθ = Bt/Аq, критического тока YBCO и NbTi, через подбор количества витков катушки, можно рассчитать количественные результаты для сравнения их с аналитическим значением для различных размеров реакторов, при этом геометрия расчетной области, сетка конечных элементов, распределение магнитного поля, линейный график-профиль магнитного поля в центральном сечении для NbTi будут выглядеть аналогично YBCO. Очевидно, что материала YBCO требуется меньше, чем NbTi, для создания поля одинаковой мощности.
Анализируя параметры для создания тороидального магнитного поля 5 Тл, 8 Тл для реакторов МИФИСТ-1, ST-40 и ITER, можно сделать ряд выводов о том, что между расчетными и аналитическими значениями очевидна корреляция, для создания поля одинаковой мощности поля в одинаковых реакторах сверхпроводника YBCO требуется меньше, чем NbTi, исходя из ограничений значений критических токов, чем более мощное поле нам требуется, тем больше требуется сверхпроводника.
Основным параметром производительности, который подвергается анализу закона масштабирования, является время удержания энергии, τE. Время удержания энергии выражается в технических величинах: I (MA) – ток плазмы, B (T) – тороидальное магнитное поле, P (МВт) – поглощённая мощность, κ – удлинение, ε – обратное соотношение сторон, Scr – площадь поперечного сечения, M – масса изотопа водорода… Очевидно, что время удержания плазмы, а значит и производительность токамака прямо пропорционально зависит от мощности тороидального магнитного поля.
Таким образом, для повышения эффективности токамака требуется увеличивать габариты самого реактора токамака и мощность поля. При этом важным параметром является не только физическая производительность, но и стоимость материалов для создания магнитной системы, а также срок строительства всей конструкции токамака. Поэтому выбор каждой конкретной конструкции токамака зависит от финансовых возможностей владельца объекта (токамака) и необходимых инвестиций, а также срочности строительства и запуска токамака. Наиболее эффективными с точки зрения физики являются токамаки больших размеров. Но более экономически выгодными и мобильными являются компактные токамаки.
Представим обзор достижений в области энергоэффективности в мире с обоснование инвестиций в разработку новых технологий в установках типа токамак. По состоянию на конец 2023 года, стоимость производства энергии на токамаке ещё не является конкурентоспособной по сравнению с другими формами производства энергии. Тем не менее, исследования и разработки в области термоядерной энергии, включая технологию токамаков, продолжаются, и ожидается, что стоимость производства энергии токамаками будет снижаться по мере развития технологии.
Стоимость производства энергии токамаком за последние 75 лет зависит от конкретной конструкции и работы каждого отдельного токамака-реактора. Однако стоит отметить, что исследования термоядерного синтеза продолжаются с 1950-х годов, и был достигнут значительный прогресс в понимании науки, лежащей в основе термоядерного синтеза, и в разработке необходимых технологий для его достижения. Ожидается, что по мере продолжения исследований и разработок стоимость производства энергии токамаком будет продолжать снижаться.
В отчете IRENA «Затраты на производство возобновляемой энергии в 2022 году» был проведен всесторонний анализ затрат и производительности технологий возобновляемой энергии и их сравнение с ископаемым топливом и атомными электростанциями. Важно отметить, что LCOE для каждого источника энергии может широко варьироваться в зависимости от таких факторов, как местоположение, технология и государственные стимулы. Кроме того, экологические и социальные затраты, связанные с каждым источником энергии, не отражены в показателях LCOE.
Инвестиции в финансируемые из частных источников т.н. «фьюжн-предприятия» растут. Ряд компаний делают ставку на то, что они смогут достичь управляемого термоядерного синтеза за десять или более лет до международного проекта ITER стоимостью 25 миллиардов долларов. Часто можно услышать высказывание о том, что до термоядерной энергетики еще 30 лет, и так будет всегда. Сроки, предусмотренные международным сотрудничеством для ITER — колоссального реактора стоимостью более 25 миллиардов долларов, строящегося во Франции, — лишь немного короче этого. Достижение первой устойчивой термоядерной реакции, или сжигания плазмы, запланировано «самое раннее – на 2035 год»! После этого на строительство опытной электростанции, вырабатывающей электроэнергию, потребуется ещё около десяти лет.
По мнению ученых и предпринимателей, работающих над альтернативными схемами термоядерной энергетики, для Земли слишком долго ждать нового экологически чистого источника энергии с практически неограниченным запасом топлива. Они говорят, что их машины могут быть готовы поставлять электроэнергию в сеть в течение десятилетия. Подобные обещания давались и раньше. Однако, технический директор «General Fusion» в Ванкувере (Канада), одного из пяти начинающих частных предприятий, которые привлекли значительное финансирование, Майкл Делаж, и заместитель директора Принстонской лаборатории физики плазмы, Дейл Мид, считают, что технологический прогресс может существенно сократить сроки запуска эффективного токамака: «… искренне верю, что на этот раз все по-другому. Лежащая в основе наука и способность проводить моделирование поведения плазмы действительно значительно продвинулись вперед и остались вне поля зрения общественности». В ближайшие годы ряду компаний предстоит преодолеть инженерные препятствия, превзойти рубеж в производстве энергии, который десятилетиями ускользал от исследователей, и продемонстрировать, что их реакторы могут служить основой для надежных, экономически эффективных электростанций, а также привлечь достаточное финансирование для продвижения вперед.
Не менее важным вопросом является финансирование инноваций. Инвестиции в частные совместные предприятия миллиардеров, фирм венчурного капитала, филантропов и даже крупных нефтегазовых компаний выросли в 2020 году и продолжают расти до сих пор. По объему привлёченного капитала лидирует «TAE Technologies» из округа Ориндж, штат Калифорния, с показателем в 750 миллионов долларов! Это на 150 миллионов долларов больше, чем в начале 2019 года, когда среди названных инвесторов были бывший управляющий хедж-фондом Артур Самберг, Чарльз Шваб, бывший генеральный директор «Morgan Stanley», Джон Мак, венчурные компании «New Enterprise Associates» и «Venrock», британский «Wellcome Trust», несколько суверенных фондов и «Alphabet».
Компания «Commonwealth Fusion Systems» в Кембридже, штат Массачусетс, привлекла более 200 миллионов долларов, из которых 84 миллиона в 2020 году поступили в основном от венчурных компаний, включая «Breakthrough Energy Ventures», поддерживаемую Биллом Гейтсом. Итальянский производитель нефти и газа компания «Eni» внесла 50 миллионов долларов. Генеральный директор Боб Мамгаард считает, что эти деньги должны позволить выделить 100 сотрудников MIT до конца года. Еще 120 сотрудников Массачусетского технологического института также работают над испытательным реактором компании.
В Великобритании проект «Tokamak Energy», основанный бывшими исследователями из Центра термоядерной энергетики Калхэма, привлек около 150 миллионов фунтов стерлингов (193 миллиона долларов), включая 26 миллионов долларов в виде кредитов на исследования и разработки от правительства. Среди инвесторов - менеджеры хедж-фондов и британская компания по оказанию финансовых услуг «Legal and General». По словам Дэвида Кингхэма, соучредителя и исполнительного вице-председателя «Tokamak», в рамках совместного гранта в размере 4 миллионов долларов Национальная лаборатория Окриджа и Принстонская лаборатория физики плазмы будут работать с компанией над методами диагностики и моделированием плазмы, а демонстрация процесса термоядерного синтеза в масштабе сети обойдется примерно в 1 миллиард долларов.
Джефф Безос является главным инвестором «General Fusion», который привлек 200 миллионов долларов финансирования или обязательств. Около 80% финансирования компании поступает из частных источников; остальное предоставило канадское правительство. Среди других публично названных инвесторов – канадская нефтегазовая компания «Cenovus Energy», сингапурские инвестиционные фирмы «Temasek» и «GIC», а также малайзийский Фонд национального благосостояния.
Компания «Zap Energy», базирующаяся в Сиэтле, штат Вашингтон, получила гранты в размере 8 миллионов долларов от Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США. Дочерний проект Вашингтонского университета привлек еще 6,5 миллионов долларов от инвесторов, в число которых входят «Chevron Technology Ventures» и «Lowercarbon Capital Криса Сакки». Бендж Конвей, президент компании «Zap», считает, что собранные деньги приведут разработки технологий токамака к достижению условий безубыточности и демонстрации выигрыша – получения большего количества энергии от термоядерной реакции, чем требовалось для ее инициирования.
Все подходы к термоядерному синтезу «D–T» требуют материалов, способных выдерживать постоянную длительную бомбардировку высокоэнергетическими нейтронами, образующимися в результате реакции. Несколько компаний рассчитывают на то, что жидкометаллические оболочки, окружающие плазму, будут поглощать нейтроны, выделять большое количество трития, которое потребуется для длительного термоядерного горения, и передавать тепло из реакционной камеры для выработки пара. Компании «Zap» и «General Fusion» выбрали жидкий свинец–литий, «Commonwealth» предлагает расплавленную соль, аналогичную той, что используется для передачи тепла в концентрированных солнечных батареях, по своим свойствам тепло- и электропроводности. Прокладку между плазмой и расплавленной солью необходимо было бы периодически заменять.
Другие проблемы, которые далеки от решения – это удаление альфа-частиц, которые накапливаются в плазме и могут препятствовать термоядерному синтезу, и обеспечение прохождения жидкого металла через реактор. Одной из задач, стоящих перед «Commonwealth» и «Tokamak Energy», является поддержание их сверхпроводящих магнитов при температуре 20 К в компактных устройствах рядом с плазмой 100 миллионов К или более, предотвращая при этом нагрев сверхпроводящих катушек энергичными термоядерными нейтронами. Крайне важно, что компаниям придётся доказать, что они могут увеличить продолжительность и прирост энергии термоядерной реакции. Это большой шаг – перейти от экспериментов с тритием, длящихся несколько секунд, к разведению в реакторе больших количеств трития, которые могут поддерживать термоядерную реакцию в течение месяцев или лет. Небольшой прирост энергии в 1-2 раза по сравнению с потребляемой энергией, к которому стремятся пять компаний, слишком мал по сравнению с 30-кратным увеличением, которое потребуется для того, чтобы электростанция была коммерчески привлекательной.
Несмотря на убежденность в том, что они «победят ITER», разработчики говорят, что международные усилия должны продолжаться. Экономическая экстраполяция токамаков масштаба ITER на масштаб мощности выглядит довольно сложной задачей, но это не значит, что токамак – недопустимая концепция. Сейчас целесообразно продолжать разработки на всех вариантах. Также ITER служит мощной научной объединяющей силой и существенным инвестиционным кооперационным стимулом. Успех первого коммерческого реактора вовсе не означает, что международные исследования в области термоядерного синтеза должны прекратиться. Ближайшие годы предоставят много возможностей в рамках международного научного сотрудничества для дальнейших улучшений, в т.ч. в комплексах и подсистемах для диагностики и управления плазмой.
Выводы и рекомендации:
В Послании Президента Российской Федерации В.В.Путина Федеральному Собранию Российской Федерации 29.02.2024, в частности, отмечалась всевозрастающая созидательная роль разработок российских учёных в формировании мощного оборонного щита, укреплении промышленного потенциала страны и созидании нового поколения инновационных разработок в различных отраслях. В год 90-летия со дня рождения первого космонавта Земли, лётчика-космонавта СССР, Героя Советского Союза Ю.А.Гагарина на одном из федеральных каналов готовится и будет показан цикл передач по материалам интервью, взятых у отечественных лётчиков-космонавтов, Героев Советского Союза и Героев России соавтором публикации. В юбилейный год будут проведены форумы, симпозиумы и конференции с участием лётчиков-космонавтов, Героев Советского Союза и Героев России, а также соавтора публикации и представителей крупных промышленных корпораций, осуществляющих масштабные капиталовложения в инновационные российские разработки.
В ходе моделирования тороидальной магнитной системы и оценки количества сверхпроводящего материала, необходимого для создания такой магнитной системы для токамака, средствами программного комплекса «COMSOL Multiphysics» разработаны конечноэлементные модели, включающие решение стационарной системы уравнений Максвелла, описывающих распределение магнитного потока в тороидальном объеме токамака МИФИСТ, ST-40, ITER. Проведена проверка модели с использованием аналитической зависимости величины магнитного поля в центре кругового соленоида от таких параметров, как внутренний и внешний радиусы обмотки, а также длины соленоида. Результаты расчетов количественно согласуются с ранее полученным аналитическим решением, применимым в промышленном производстве.
Основные результаты проделанной научно-исследовательской работы на отечественном оборудовании состоят в том, что получены расчетные значения тороидального магнитного поля, создаваемого системой, состоящей из двенадцати эллиптических соленоидов. Показано, что система соленоидов обеспечивает следующие характеристики магнитного поля: величина магнитного поля в центре тора – 2 Тл, неоднородность вдоль оси тора не превышает 3%. Максимальная величина магнитной индукции достигается на внутреннем обводе тора и составляет 5,65 Тл при а=13 см и 5,83 Тл при a=11 см в зависимости от длины секции.
Рассмотрены возможности применения низкотемпературных и высокотемпературных сверхпроводников второго рода для создания магнитной системы токамака с учетом их критических параметров сверхпроводников. Для намотки соленоидов предложены провода из NbTi и ВТСП ленты. Оценена примерная длина NbTi провода, необходимая для создания магнитного поля заданной величины. Для создания соленоида необходимо около 1,5 км провода. Оценена примерная длина ВТСП лент, необходимых для создания магнитного поля заданной величины. Для создания одного соленоида необходимо около 1 км ВТСП ленты.
Также в работе показано, что при варианте размещения магнитных катушек внутри тороидального объема необходимое количество ВТСП уменьшается примерно на 20%. Оценено необходимое количество сверхпроводящего провода для создания магнитной системы. В зависимости от числа лент, используемых в проводе, полное число витков составляет от 50 до 110 на один соленоид, что соответствует 90 – 190 м провода. Следует отметить, что результаты получены соискателем учёной степени кандидата наук, имеющим неоспоримые спортивные достижения и являющимся абсолютным чемпионом мира и Европы по тхэквондо!