Исследователи готовят «первую в мире работоспособную термоядерную электростанцию»

После недавних и последовательных прорывов в мире ядерного синтеза, последний из которых позволил получить больше энергии, чем было выделено для начала реакции, ученые и политики возлагают большие надежды на энергетику. В результате Министерство энергетики США рассматривает возможность финансирования первой в мире термоядерной электростанции, способной воспроизвести выработку энергии Солнца. Начался процесс отбора потенциальных кандидатов, и ожидается, что завод будет введен в эксплуатацию в 2030 году.

Недавно была произведена историческая термоядерная реакция, о чем объявили Министерство энергетики США (DOE) и Национальная администрация ядерной безопасности США (NNSA), завершив термоядерное зажигание в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL). Это крупный научный прорыв, ставший результатом десятилетий работы и потенциально прокладывающий путь к будущему чистой энергии.

5 декабря группа специалистов в Национальной установке зажигания (NIF) LLNL провела первый эксперимент по управляемому термоядерному синтезу, который достиг научной энергетической эффективности, что означает, что в результате термоядерного синтеза было получено больше энергии, чем энергия лазера, использованного для его запуска. Напомним, что ядерный синтез — это процесс, при котором два легких ядра объединяются в одно более тяжелое ядро с выделением большого количества энергии при температурах и давлениях, подобных тем, что существуют в ядрах звезд и гигантских планет.

Это произошло вслед за другим крупным открытием в мире термоядерного синтеза — использованием особых магнитных полей для повышения эффективности. В технике, называемой инерциальным термоядерным синтезом (ICF) — где лазеры инициируют ядерную реакцию — исследователи NIF показали, что правильное магнитное поле улучшает «нагрев», который поддерживает топливо горячим достаточно долго, чтобы произвести гораздо больше энергии.

После этих двух крупных прорывов Министерство энергетики США столкнулось с дилеммой, куда вложить средства, чтобы превратить эту новую «лабораторную» технологию в коммерчески жизнеспособную версию, разработав пилотную термоядерную установку.

15 декабря завершился прием заявок на гранты от частных компаний на разработку концепции собственной крупномасштабной установки ядерного синтеза, которая могла бы обеспечивать электроэнергией сети США не менее 50 мегаватт. Финансирование подкрепляется разрешением Конгресса на 50 миллионов долларов в законопроекте об энергетике на 2020 год, сообщается в статье E&ENews. На рассмотрении находится до 15 заявок.

При поддержке Научного консультативного комитета по термоядерной энергии при Министерстве энергетики США, а также группы экспертов из Национальной академии наук, инженерии и медицины, стратегия экспериментальной установки убедит американские коммунальные службы в том, что технология возможна с научной точки зрения и достойна масштабных инвестиций в будущем.

По словам высокопоставленного сотрудника Министерства энергетики, цитируемого в статье, цель состоит в том, чтобы «надеяться на введение в эксплуатацию экспериментальной термоядерной установки к началу 2030-х годов».

Если победители смогут пройти ряд все более строгих технических и научных этапов, показав, что они могут решить оставшиеся сложные инженерные задачи, они смогут претендовать на гранты на исследования в размере 415 миллионов долларов США, если Конгресс выделит всю сумму.

В рамках этой программы они также смогут сотрудничать с национальными лабораториями Министерства энергетики. Но ожидается, что будет отобрано лишь несколько заявок на проектирование пилотных установок, сказал во время интервью генеральный директор Fusion Industry Association Эндрю Холланд.

С точки зрения чистой политики, сейчас сложное время, поскольку республиканцы готовы взять под свой контроль Палату представителей и пообещали изучить гранты Министерства энергетики в поисках «следующей Solyndra», имея в виду поддерживаемую администрацией Обамы компанию по производству солнечных батарей, которая впоследствии обанкротилась. Республиканцы всегда голосовали против энергетических проектов термоядерного типа.

Именно поэтому министр энергетики Дженнифер Грэнхолм заявила, что Министерство энергетики будет рассматривать всех кандидатов, без фаворитов. Она добавила: «Мы просто рассматриваем лучшие предложения, которые поступают. Я надеюсь, что мы примем решение в начале нового года«, прежде чем Палата представителей перейдет на другую сторону.

Кроме того, Уэйн Соломон, вице-президент по энергии магнитного синтеза в General Atomics, отмечает, что партнерство частного сектора и правительства должно будет не только покрыть финансирование, но и создать необходимую нормативную среду и общественную поддержку. По его словам, текущее федеральное финансирование «относительно скромное». Но ожидается, что программа будет расти очень существенно.

Так, в марте прошлого года Белый дом созвал саммит, чтобы попытаться ускорить усилия по коммерческому термоядерному синтезу. Тэмми Ма, возглавляющая исследовательскую работу в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, объясняет в статье в New York Times: «Разработка экономически привлекательного подхода к термоядерной энергии — это большая научная и техническая задача. Такая программа неизбежно потребует участия всего сообщества«, включая университеты, стартапы и коммунальные предприятия, в дополнение к национальным лабораториям, таким как Ливермор.

Чтобы отразить недавний прорыв в термоядерном синтезе и реальные возможности создания опытной установки, Стивен Коули, директор Принстонской лаборатории физики плазмы Министерства энергетики США в Нью-Джерси, сравнил эксперимент по термоядерному синтезу с попытками туриста разжечь костер.

В экспериментах, проводившихся на протяжении десятилетий, исследователи пытались «зажечь хворост», чтобы разжечь поленья и положить начало огню. На этот раз — увеличив мощность лазерного выстрела и внеся другие изменения в эксперимент — «спичка зажгла хворост», а заодно и поленья, чтобы продолжить аналогию, хотя бы на несколько миллиардных долей секунды.

Таким образом, крупномасштабный термоядерный реактор должен не только производить кратковременную реакцию, но и полагаться на долговечные компоненты и надежные системы, способные производить энергию непрерывно.

Как сообщает E&ENews, Кэтрин МакКарти, ученый из Национальной лаборатории Ок-Ридж, выступая в апреле на конференции по термоядерному синтезу в Белом доме, сказала: «Не так-то просто после того, как вы сделали термоядерный синтез, как это сделали мы, перейти к коммерческому термоядерному синтезу. Но у нас есть инструменты для этого и материалы для опытного завода в США«.

Более того, компания General Atomics, расположенная в Сан-Диего, в ноябре объявила о программе по проектированию, строительству и эксплуатации экспериментальной установки. Брайан Гриерсон, директор экспериментальной установки по термоядерному синтезу компании General Atomics, сказал в статье в газете San Diego Union Tribune: «Это действительно следующий шаг, выход из стадии исследований и разработок в области термоядерной науки и передача этих знаний и опыта в коммерческое использование«.

И многие инвесторы, например Джефф Безос, собирают деньги на подобные проекты. В прошлом году он и другие собрали 130 миллионов долларов для канадской компании General Fusion, чтобы помочь разработать коммерческий реактор.