Реактор в кожному селі. Скільки залишилося до початку ери дармової енергії
Термоядерна енергія - блакитна мрія вчених - може втілитися в реальність швидше, ніж передбачалося раніше. Фізики Массачусетського технологічного інституту заявили про готовність створити працюючий термоядерний реактор протягом найближчих 15 років. А корпорація Lockheed Martin обіцяє домогтися того ж ще раніше - вже в 2024 р.
Неприрученный термояд
В основі одержання термоядерної енергії лежить термоядерний синтез, або, на жаргоні фізиків, термояд. На відміну від ядерного поділу, представляє собою процес розщеплення дуже важкого атомного ядра (наприклад, урану) на два-три легших ядра з близькими масами, в ході якого виробляється теплова енергія, ядерний синтез дозволяє отримувати енергію при злитті дуже легких атомних ядер (наприклад, при перетворенні водню в гелій). У той час як реакція ядерного поділу давно вже приручена в атомних електростанціях, ядерний синтез досі залишається "диким звіром".
Між тим це найважливіша реакція для нас, землян. Саме завдяки їй світять зірки, в тому числі і наше Сонце. Для свого протікання ядерний синтез вимагає температур у багато мільйонів градусів, чому він і називається термоядерним. Але при цьому може виділятися набагато більше енергії, ніж витрачається.
Прирученням термояда вчені займаються вже понад 70 років. Перший патент на термоядерний реактор був виданий у Великобританії ще в 1946 р. Проте досі не створено реактора, який виділяв би більше енергії, ніж отримує. Всі спроби впираються в одну і ту ж проблему: дуже складно утримати в обмеженому обсязі плазму, розігріту до надвисоких температур.
На даний момент найбільш значущим варіантом конструкції термоядерного реактора є токамак - тороїдальна камера з магнітними котушками. Тороїдальна - значить схожа на бублик або велосипедну шину. Магніти створюють всередині камери дуже сильне магнітне поле, яке утримує гарячу плазму і таким чином забезпечує умови, необхідні для протікання керованого термоядерного синтезу.
Навіщо Eni інвестує в альтернативне майбутнє
Фізики Массачусетського технологічного інституту (MIT) 9 березня оголосили, що вони спільно з компанією Commonwealth Fusion Systems (CFS) збираються протягом 15 років побудувати термоядерну електростанцію. За їхньою оцінкою, це буде "драматичний стрибок вперед" до отримання потенційно невичерпного джерела екологічно чистої енергії. Вчені стверджують, що їх розробка покладе край залежності людства від дорогих викопних видів палива - нафти, кам'яного вугілля, горючого сланцю, природного газу, торфу - і сповільнить процеси зміни клімату.
Про ці плани детально розповіли науковий журнал Nature і багато американські ЗМІ. Першочерговим завданням, рішення якої може зайняти близько трьох років, є створення дуже сильного і притому компактного електромагніту. Для цього будуть використані високотемпературні надпровідні матеріали у вигляді сталевої стрічки, покритої оксидом ітрію-барію-міді. Вони стали комерційно доступними лише в останні кілька років. Раніше такої технологічної можливості просто не існувало.
Протягом наступного десятиліття команда має намір розробити компактний токамак SPARC, здатний генерувати 100 МВт теплової енергії. А потім вчені сподіваються створити пілотну електростанцію потужністю 200 МВт, яка зможе подавати електроенергію в мережу.
Для перспектив проекту важливо, хто його фінансує. Компанія CFS була створена в 2017 р. групою вчених і дослідників з Центру науки про плазмі та термоядерного синтезу MIT. Ця компанія підписала угоду з найбільшою італійською нафтогазовою компанією Eni, яка зобов'язалася інвестувати в CFS 50 млн євро і за це отримає частку в CFS. Придбання компанією Eni частки в CFS буде завершено у другому кварталі 2018 р. Паралельно Eni підписала угоду з MIT, яке дозволить їм спільно здійснювати дослідницькі програми з фізики плазми і передовим технологіям термоядерного синтезу і виробництва електромагнітів.
Тут може виникнути питання, навіщо італійського нафтогазового гіганта фінансувати створення альтернативної енергетичної галузі, здатної різко скоротити світову потребу в нафті та газі. Eni прямо заявляє, що угоди з CFS і MIT є частиною стратегії Eni, спрямованої на розвиток технологій "зміни гри" в енергетичному секторі. "Термоядерний синтез - це справжнє джерело енергії майбутнього, оскільки він повністю безпечний, не виділяє шкідливих викидів або довгострокових відходів і потенційно невичерпним. Це мета, яку ми всі рішучіший прагнемо швидко досягти", - говорить головний виконавчий директор Eni Клаудіо Дескальци.
Lockheed Martin хоче відібрати Марс у Ілона Маска
У тому ж напрямку вже понад шість років працює американська військово-промислова корпорація Lockheed Martin, що спеціалізується в області авіакосмічної техніки і суднобудування. 3 квітня 2013 р. корпорація подала попередню, а майже рік тому - остаточну заявку на патент "Инкапсулирующие магнітні поля для утримання плазми". У жовтні 2014 р. Lockheed Martin презентувала свої термоядерні плани. І ось 15 лютого 2018 р. бажаний патент отриманий.
Втім, сама корпорація ця подія не афішувала. Можливо, воно так і залишилося б непоміченим, якби не керівник Американського бюро Flightglobal Стівен Трімбл, який 26 березня оприлюднив основні деталі патенту, отриманого Lockheed Martin. Як зазначає сайт The Drive, якщо все буде йти за планом, то вже в наступному році корпорація зможе представити прототип компактного термоядерного реактора розміром всього лише з стандартний вантажний контейнер для перевезень, але здатного забезпечувати енергією 80 тис. домогосподарств або авіаносець класу Nimitz.
До речі, авіаносці цього класу є найбільшими військовими кораблями в світі. Протягом 1975-2009 рр. ВМС США отримали 10 таких кораблів, їх відмінна особливість - кожен має по два ядерних реактора A4W Westinghouse. Якщо американці отримають можливість ставити замість ядерних реакторів термоядерні розміром з контейнер, то можна уявити собі, наскільки швидко і значно зросте могутності американського флоту.
На своєму сайті Lockheed Martin розповідає і про інших можливих застосуваннях компактного термоядерного реактора. Зокрема, його можна встановити на стратегічний військово-транспортний літак підвищеної вантажопідйомності Lockheed C-5 Galaxy. Протягом 1969-1989 рр. Lockheed Martin поставила ВПС США 131 такий літак.
А ще компанія планує оснащувати своїми термоядерними реакторами космічні кораблі. Завдяки цьому, стверджує Lockheed Martin, можна буде дістатися до Марса всього лише за місяць, тоді як зараз на це потрібно півроку або більше. Варто відзначити, що Ілон Маск, обіцяє відправити надважку ракету на Червону планету вже в 2022 р., говорить, що час польоту складе близько 80 днів. Так що термоядерний корабель Lockheed Martin буде летіти, в грубому наближенні, втричі швидше суперракети Маска.
Але справа не тільки в швидкості. Пригадаємо, чим хвалиться Маск в останні роки, на чому сконцентровані його зусиль: він навчився садити і повторно використовувати відпрацьовані ступені, тобто, по суті, порожні баки з-під ракетного палива. А термоядерного кораблю ніякі додаткові ступені взагалі не потрібні. Замість величезних паливних баків можна пристроювати до корабля пасажирські та вантажні відсіки, завдяки цьому ефективність космічної місії зросте навіть не в рази, а на порядки.
Що ж стосується експедиції на Марс, то тут перевага Lockheed Martin ще серйозніше. Власник SpaceX бачить своє завдання в тому, щоб доставити людей на Червону планету, а що вони там будуть робити і як вони там виживуть - це вже проблема їх самих і тих, хто оплатить SpaceX це подорож. Термоядерний корабель Lockheed Martin зможе доставити на Марс не тільки колоністів, але і компактні термоядерні реактори, які забезпечать майбутню колонію дармовою енергією. В такому випадку набагато більш реалістичним буде і рішення інших проблем, від споруди герметичного бази до розвідки і видобутку корисних копалин.
Які таємниці приховує Skunk Works
В Lockheed Martin створенням компактного термоядерного реактора займається секретна дослідницький підрозділ Skunk Works. Там працюють фахівці дуже високого класу. Досить сказати, що саме Skunk Works зараз розробляє надзвукові стратегічні розвідники для ВПС США і комерційні надзвукові пасажирські літаки для NASA.
Головним конструктором і технічним керівником проекту Compact Fusion в Skunk Works є Томас Макгуайр, зробив дисертацію на експериментальному термоядерному пристрої в MIT. У жовтні 2014 р. Макгуайр заявив, що метою його команди є створення робочого реактора потужністю 100 МВт через п'ять років і серійної системи - протягом 10 років, тобто до 2024 р.
За словами Макгуайра, в аспірантурі в MIT він вивчав термоядерний синтез в рамках дослідження NASA, покликаного знайти способи скоротити час польоту на Марс. "Я почав вивчати всі ідеї, які були опубліковані. Я з'єднав всі ці ідеї у щось нове, намагаючись замінити недоліки одних перевагами інших", - сказав Макгуайр і потім відзначив деякі відмінності його реактора від традиційних токамаків.
Одним з нововведень проекту є використання надпровідних магнітів. Вони дозволяють створити сильні магнітні поля при менших витратах енергії, ніж звичайні магніти. Крім того, замість тороїдальної (кільцевий) камери використовується камера, схожа на пляшку з запаяними горловинами на обох кінцях.
"Проблема з токамаками полягає в тому, що вони можуть утримувати лише невелика кількість плазми", - зазначив Макгуайр. Щоб бути зрозумілішою, він нагадав, що токамак за формою схожий на велосипедну шину, і додав: "Якщо шину занадто сильно накачати, то в кінці кінців покришка лопне".
Макгуайр уникає цих проблем, радикально змінивши підхід до утримання плазми. В його реакторі система регулюється самоналаштуванням механізмом зворотного зв'язку. В результаті, чим далі розширюється плазма, тим сильніше стає обмежує магнітне поле, яке стримує її. "У нашому випадку замість велосипедної шини є щось схоже на товсту пружну оболонку, яка стискає зону реактора і сама впирається в тверду стіну", - говорить Макгуайр.
Завдяки всім цим нововведенням вдається на порядок підвищити тиск утримується плазми порівняно з токамаками і багаторазово зменшити лінійні розміри всього пристрою (тобто його довжину, висоту і ширину). У свою чергу, скорочення масштабу настільки ж істотно скоротить витрати на будівництво реактора.
Зрозуміло, Макгуайр не розкрив всі секрети. Також і патент, отриманий Lockheed Martin, описує технологію лише в загальних рисах, зовсім недостатніх для її копіювання. Тим не менш той факт, що патент не засекречений, викликав запитання. Як зазначає The Drive, це може ставити під сумнів зрілість системи з точки зору її практичного застосування. Компанія, яка отримує патент, не обов'язково активно розвиває технологію, описану в документі. Тому The Drive передбачає, що у найближчому майбутньому чекає ще одне велике заяву від Lockheed Martin", яке розвіє сумніви.
Що це буде означати для людства
У будь-якому випадку ситуація проясниться в 2019 р., коли корпорація представить не представить - обіцяний працюючий прототип реактора. Незасекреченность патенту може означати, що Lockheed Martin близька до успіху і збирається заробляти гроші на масовому тиражуванні своєї технології по всьому світу. Але навіть якщо ні, удача може посміхнутися фізикам MIT і CFS, розробляють SPARC на гроші Eni. Над створенням компактного термоядерного реактора працюють і інші команди. Наприклад, британська компанія Tokamak Energy обіцяє в 2025 р. представити працюючий прототип, а в 2030 р. почати постачання електроенергії в національну енергомережу.
Якщо хоча б одна з команд досягне успіху, то важко переоцінити, наскільки це різко змінить перспективи всієї світової економіки. За оцінкою Lockheed Martin, щоб протягом року генерувати постійну потужність 100 МВт, реактору потрібно всього лише 11,3 кг палива у вигляді суміші дейтерію і тритію - важких ізотопів водню. Інші команди орієнтуються на приблизно такі ж показники. Компактні термоядерні реактори зможуть забезпечити весь світ майже дармовою енергією. Завдяки цьому можна буде опріснювати морську воду для зрошення пустель, а значить, збільшити виробництво продовольства на планеті. В той же час різко знизиться світове споживання вугілля, газу, нафти, як наслідок, покращиться екологічна ситуація. Нарешті, є шанс, що хоча б деяку частину зекономлених грошей уряду направлять на наукові дослідження і розробку нових технологій. Все це може відбутися якщо не в найближчі п'ять, то в найближчі 15 років.
ITER: коли гігантизм лякає
Найбільшим у світі токамаків повинен стати ITER (Міжнародний експериментальний термоядерний реактор) в дослідницькому центрі Кадараш на півдні Франції. Цей проект був офіційно початий 24 жовтня 2007 р. Він займає площу довжиною 1 км і шириною до 400 м. Сам токамак ITER буде представляти собою споруду заввишки 60 м і масою 23 тис. т.
Спочатку будівництво планувалося закінчити в 2016 р., а її вартість оцінювалася в 5 млрд євро. Однак поступово очікувана сума витрат зросла до 20 млрд євро. Термін початку перших плазмових експериментів зрушився на грудень 2025 р., а запуск повноцінної реакції термоядерного синтезу заплановано лише на 2035 р.
Розробники проекту сподіваються розігріти в токамаке плазму до температури 150 млн градусів - це в 10 разів більше, ніж в самому центрі Сонця. Передбачається, що реактор буде потребувати енергетичної підживлення потужністю 50 МВт, а зможе генерувати в 10 разів більшу потужність - 500 МВт. Порівняно з діючими АЕС це не так вже й багато. Наприклад, Запорізька АЕС-шість енергоблоків по 1000 МВт кожний.
Саме гігантські розміри і вартість ITER при досить скромному очікуваному результаті викликають найбільше критики. Але в той час як скептики-профани називають цей проект марною тратою часу і грошей, а термоядерний синтез - тупиковим напрямком, ентузіасти-професіонали з числа фізиків-ядерників шукають способи створити реактор на порядок дешевший і компактний.
