Жизнеспособный термоядерный реактор, который производит больше энергии, чем потребляет, может быть готов уже к 2025 году. Это — общий вывод из целых семи новых исследований, написанных 47 учеными из 12 учреждений, опубликованный 29 сентября в Journal of Plasma Physics. Если тестовый термоядерный реактор действительно достигнет этого рубежа эффективности, он может открыть путь для массового производства чистой энергии.

Во время термоядерного синтеза атомные ядра вынуждают сливаться вместе и образовывать более тяжелые атомы. Однако масса образовавшихся атомов меньше массы атомов, которые пошли на их создание, и избыточная масса преобразуется в энергию, как завещал дедушка Эйнштейн. Получающееся благодаря термоядерному синтезу количество энергии настолько велико, что позволяет светиться и излучать тепло Солнцу и другим звездам, поскольку мощная гравитация в их недрах дает возможность объединять атомы водорода, чтобы создать гелий.

Проблема создания устойчивого термоядерного синтеза на Земле в том, что требуется огромное количество энергии, чтобы заставить атомы слиться вместе, к тому же происходит это при температуре не менее сотни миллионов градусов по Цельсию (увы, холодный термоядерный синтез до сих пор не открыт). Однако, разумеется, такие реакции могут генерировать гораздо больше энергии, чем им требуется — и Солнце тому прямое подтверждение.

Также немаловажный плюс термоядерного синтеза — полное отсутствие вредных отходов. Не производятся парниковые газы, не загрязняется атмосфера, не нужно утилизировать радиоактивное топливо, и даже при аварии ничего серьезнее выброса водорода в атмосферу, который и является топливом для термоядерного реактора, не будет. При этом термоядерный синтез может быть настолько эффективным, что текущих запасов водорода на Земле хватит, чтобы удовлетворить все потребности человечества в энергии на миллионы лет вперед.

«Мы занялись этим исследованием, потому что мы пытаемся решить действительно серьезную глобальную проблему», — сказал автор одного из исследований Мартин Гринвальд, физик плазмы из Массачусетского технологического института и один из ведущих ученых, разрабатывающих новый реактор. «Мы хотим оказать влияние на общество. Нам нужно решение проблемы глобального потепления — иначе цивилизация окажется в беде. Похоже, переход на термоядерную электроэнергетику может помочь исправить ситуацию».


Слева — простейшая реакция термоядерного синтеза с использованием дейтерия и трития (тяжелого водорода). Справа — схема токамака.

В большинстве экспериментальных термоядерных реакторов используется советская конструкция в форме пончика, называемая токамаком. В такой установке используются мощные магнитные поля, чтобы удерживать облако плазмы или ионизированного газа при экстремальных температурах, достаточно высоких, чтобы атомы могли сливаться вместе. Новое экспериментальное устройство, получившее название реактор SPARC (Soonest/Smallest Private-Funded Affordable Robust Compact, Самый быстрый/маленький доступный надежный компактный реактор), финансируется из частных источников и разрабатывается учеными Массачусетского технологического института совместно с дочерней компанией Commonwealth Fusion Systems.

И, если все получится, SPARC станет первым устройством на Земле, достигшем состояния «горящей плазмы», при котором тепло от всех термоядерных реакций поддерживает термоядерный синтез без необходимости добавления в систему дополнительной энергии. И как раз тот факт, что никому никогда не удавалось использовать силу горящей плазмы в контролируемой реакции здесь, на Земле, требует проведения дополнительных исследований, прежде чем SPARC сможет начать работать.

Строительство проекта SPARC, запущенного в 2018 году, планируется начать в июне следующего года, а сам реактор может заработать в 2025 году. Это намного раньше, чем крупнейший в мире проект термоядерной энергетики, известный как Международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER): он был задуман в 1985 году, в 2007 году началось проектирование, и, хотя строительство стартовало в 2013 году, ожидается, что первая термоядерная реакция в нем будет проведена в лучшем случае к 2035 году.

Одно из преимуществ SPARC перед ITER заключается в том, что магниты в SPARC будут лучше и точнее ограничивать плазму. В SPARC будут использоваться так называемые высокотемпературные сверхпроводящие магниты, которые стали коммерчески доступными только в последние три-пять лет — ощутимо позже, чем был спроектирован ИТЭР и началось его строительство. Эти новые магниты могут создавать гораздо более мощные магнитные поля — до 21 тесла (нет, не машина Маска, а единица измерения магнитного поля) у SPARC по сравнению с 12 тесла у ITER. Для сравнения, сила магнитного поля Земли колеблется от 30 до 60 миллионных долей тесла.

Использование таких мощных магнитов предполагает, что ядро ​​SPARC окажется примерно в три раза меньше в диаметре и в 60-70 раз меньше по объему, чем сердце ITER, которое должно быть шириной около 6 метров. «Такое резкое уменьшение размеров сопровождается аналогичным уменьшением веса и стоимости», — сказал Гринвальд. «Это сильно меняет правила игры».


Предварительная схема ITER.

В семи новых исследованиях ученые описали результаты расчетов и моделирований суперкомпьютеров, лежащих в основе конструкции SPARC. Ожидается, что этот термоядерный реактор будет генерировать как минимум в два, а то и в 10 раз больше энергии, чем потребляет, как показали исследования. Однако все еще ITER будет как минимум в 5 раз мощнее.

А дальше принцип работы схож с текущими атомными электростанциями: тепло от термоядерного реактора будет превращать воду в пар. Он, в свою очередь, будет приводить в действие турбину и электрический генератор, после чего конденсироваться и снова нагреваться у реактора, завершая цикл. Однако в отличие от ядерных реакторов не нужно будет строить несколько контуров, на которых сильно теряется КПД, дабы избежать радиации — «снимать энергию» можно будет сразу же с первого контура.

«Термоядерные электростанции могут полностью заменить электростанции, работающие на ископаемом топливе, и вам не придется для них реструктурировать электрические сети», — говорит Гринвальд. Напротив, по его словам, электростанции, использующие возобновляемые источники энергии, такие как солнечный свет или ветер, «плохо приспособлены к нынешним электрическим сетям».

Исследователи в конечном итоге надеются, что компактные термоядерные электростанции, вдохновленные SPARC, смогут вырабатывать от 250 до 1000 мегаватт каждая. «На нынешнем рынке электроэнергии в Соединенных Штатах электростанции обычно вырабатывают от 100 до 500 мегаватт», — сказал Гринвальд.

Однако SPARC не будет коммерческим. Он будет производить только тепло, но не электричество. После того, как исследователи построят и протестируют SPARC, они планируют построить реактор ARC (Affordable Robust Compact, Доступный компактный прочный реактор), который сможет вырабатывать электричество из «термоядерного тепла». Но произойдет это в лучшем случае в 2035 году.

«Это очень амбициозные планы, но мы работаем над их воплощением в жизнь», — сказал Гринвальд. «Я думаю, нам это действительно по силам».