Критическая масса: Атом и геополитика - Андрей Сизов

Токамаки лучше поддерживают высокую температуру плазмы, а стеллараторы лучше обеспечивают ее стабильность.

International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) – крупнейшая в мире экспериментальная установка типа «токамак» (рис. 43). Она призвана продемонстрировать возможность промышленного производства энергии с использованием ядерного синтеза.

Рис. 43

Сборочный цех ITER

Фото: © Rob Crandall / Shutterstock

К началу 2025 г. на ITER завершена установка ключевых компонентов, включая магнитные катушки и вакуумную камеру. Ведется работа по тестированию систем охлаждения и управления плазмой. Ожидается, что первые результаты будут получены в конце десятилетия. Полноценные эксперименты с термоядерной реакцией намечены на 2035 г., а коммерческие термоядерные реакторы могут появиться не ранее 2050 г. При этом расходы на реализацию проекта уже превышают €23 млрд. Неслучайно учредители ITER выражают готовность делиться полученными наработками с частными термоядерными компаниями.

Переходным звеном между ITER и коммерческими термоядерными реакторами должен стать демонстрационный термоядерный энергетический реактор (DEMOnstration Power Plant, DEMO). В рамках реализации этого проекта будет построена электростанция, источником питания которой и станет термоядерный синтез. DEMO будет по размерам на 15% больше ITER, а плотность нагреваемой плазмы – выше на треть. Первый этап конструирования реактора и электростанции планируется завершить в середине 2040-х гг.

В ходе испытаний на термоядерном полигоне Кorea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) в Южной Корее в 2024 г. удалось «разогреть» до 100 млн °C и на этой температуре поддерживать плазму в течение 48 секунд, что на 17 секунд превышает предыдущий рекорд. Команда KSTAR стремится продлить время удержания плазмы до 300 секунд к 2026 г.

Германия и Япония отдают предпочтение стеллараторам – это соответственно Wendelstein 7–X и Large Helical Device (LHD).

В России в рамках федерального проекта «Разработка технологий управляемого термоядерного синтеза и инновационных плазменных технологий» на базе МИФИ в 2024 г. был запущен первый на постсоветском пространстве учебный токамак «Мифист».

Кроме того, на базе Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ) строится токамак Т–15МД. На данный момент проектируются магнитная система, вакуумная камера и криостат.

По данным Ассоциации термоядерной промышленности (Fusion Industry Association, FIA), общий объем финансирования стартапов, занятых в этой сфере, к 2024 г. достиг $7,1 млрд[175]. Из них госинвестиций – $426 млн.

Большинство компаний работает в США (28), 13 – в Европе (из них 5 – в Великобритании), 3 – в Японии, 2 – в Канаде, 1 – в Израиле и 2 – в Австралии и Новой Зеландии.

FIA особо отмечает государственно-частные партнерства: Milestone-Based Fusion Development Program (США), Fusion 2040 (Германия), Moonshot (Япония), Fusion Futures (Великобритания). При этом в марте 2022 г. США анонсировали разработку 10-летнего плана коммерциализации термоядерного синтеза[176]. Эта инициатива ознаменовала собой значительный сдвиг в политике Вашингтона по отношению к соответствующим исследованиям и разработкам.

89% профильных стартапов ожидают, что до конца 2030-х термоядерные установки уже начнут использоваться для выработки электроэнергии. 70% частных разработчиков рассчитывают, что это произойдет уже к 2035 г.

Основные стартапы в сфере термоядерного синтеза

Commonwealth Fusion Systems (США)

Год основания: 2018.

Число сотрудников: более 900.

Привлечено инвестиций: более $2 млрд.

Тип базовой установки: токамак.

Commonwealth разрабатывает магниты, которые позволяют создавать более компактные и дешевые термоядерные системы.

Ведется работа над проектом термоядерной электростанции ARC.

Helion Energy (США)

Год основания: 2013.

Число сотрудников: более 200.

Привлечено инвестиций: $608 млн.

Тип базовой установки: токамак.

В реакторе Helion дейтерий и гелий–3 нагреваются и разгоняются к центру, где и происходит синтез, со скоростью более 1 млн миль/час. Электричество улавливается прямо из реактора.

Helion строит первую в мире термоядерную электростанцию и планирует в 2028 г. начать поставку электроэнергии Microsoft.

Zap Energy (США)

Год основания: 2017.

Число сотрудников: 144.

Привлечено инвестиций: $327 млн.

Тип базовой установки: токамак.

Проблема удержания плазмы решается за счет различных скоростей ее потока. Z-пинч сжатие еще больше активизирует плазму, что приводит к синтезу.

Energy Singularity (Китай)

Год основания: 2021.

Число сотрудников: нет данных.

Привлечено инвестиций: $121 млн.

Тип базовой установки: токамак.

Как и Commonwealth, Energy Singularity фокусируется на уменьшении размера термоядерных установок за счет совершенствования применяемых магнитов. Предполагается, что используемый компанией токамак HH170 будет производить в десять раз больше энергии, чем требуется для выработки плазмы.

Tokamak Energy (Великобритания)

Год основания: 2009.

Число сотрудников: более 250.

Привлечено инвестиций: $261 млн.

Тип базовой установки: токамак.

В 2022 г. была достигнута температура 100 млн °C.

Коммерческие поставки электроэнергии запланированы на 2030-е гг.

Marvel Fusion (Германия)

Год основания: 2019.

Число сотрудников: 64.

Привлечено инвестиций: $200 млн.

Метод Marvel заключается в обстреле гранулы топлива несколькими лазерами. Когда лазер попадает в крошечные стержни внутри гранулы, он удаляет электроны. Оставшиеся положительно заряженные частицы ускоряются и ударяются о топливные части гранулы с такой силой, что происходит синтез.

Xcimer Energy (США)

Год основания: 2022.

Число сотрудников: 50.

Привлечено инвестиций: $105 млн.

Xcimer использует топливную таблетку длиной 1 см, которую обстреливает лазером. Когда лазер попадает в цель, топливо воспламеняется и плавится, запуская процесс синтеза.

Xcimer планирует поставки электроэнергии в течение 2030-х гг.

Type One Energy (США)

Год основания: 2019.

Число сотрудников: 38.

Привлечено инвестиций: $82,5 млн.

Тип базовой установки: стелларатор.

Завершение проектирования реактора намечено к 2030 г.

Стеллараторы также используют Renaissance Fusion, Thea Energy, Gauss Fusion, Helical Fusion и Proxima Fusion.

К перспективным разработкам следует отнести так называемые подкритические реакторы с ускорителями (Accelerator-Driven Systems, ADS). Это гибридные ядерные установки, совмещающие технологии традиционных реакторов и ускорителей частиц.

При подкритическом режиме коэффициент размножения нейтронов k<1, что исключает возможность самоподдерживающейся цепной реакции. Необходимые для ее поддержания нейтроны поступают из внешнего источника. Таким образом, при отключении ускорителя реакция прекращается автоматически, а период распада отходов сокращается с сотен тысяч до сотен лет. Кроме того, в ADS можно использовать торий (Th–232), запасов которого на Земле в 3–4 раза больше, чем урана.

Основные проекты в области подкритических реакторов с ускорителями

MYRRHA – реализуется Бельгийским центром ядерных исследований. Инвестиции в проект оцениваются в €1,6 млрд[177]. Строительство первой фазы (только ускоритель протонов мощностью 600 мегаэлектронвольт) начнется в ближайшие годы.

CLEAR – разрабатывается Институтом современной физики Китайской академии наук.

ADS – реализуется Японским агентством по атомной энергии.

Коммерческое использование ADS-системы ожидается не ранее 2035–2040 гг. Но интерес к ней уже проявляют американские NuScale Power и TerraPower.

3. Перспективы международного сотрудничества

Международное сотрудничество – один из ключевых драйверов атомной энергетики, полноценное развитие которой невозможно без обмена опытом, объединения усилий в проведении исследований и разработке общих стандартов безопасности.

Это не значит, что ни одна страна, особенно крупная, с развитой