У грудні минулого року дослідники Каліфорнійської національної запалювальнї установки досягли того, що багато хто в індустрії термоядерного синтезу назвав моментом «братів Райт». Вічно перебуваюча у стадії «запустимо через 30 років» технологія термоядерного синтезу раптом стала ближчою. Це та інші наукові досягнення відновили надії на «необмежену енергію», але економічні дослідження показують, що термоядерна енергія буде дорожчою, ніж вітрова чи сонячна.
Нагадаємо: попри заяви у ЗМІ, експеримент ядерного запалювання все одно споживав більше енергії, ніж видавав. І ще є багато технічних проблем для того, щоб з’ясувати, як використовувати енергію термоядерного синтезу для вироблення електрики.
Але результат спонукав до відродження давно встановлених прогнозів про те, що термоядерний синтез вирішить усі енергетичні потреби людства. Стартапи, що працюють над синтезом, повідомили про сплеск інтересу з боку інвесторів цього року. Уряд США оголосив про фінансування досліджень у розмірі 1,4 мільярда доларів, що поклало початок 10-річному проекту зі створення практичної установки ядерного синтезу.
Ядерний синтез вважається джерелом безмежної та майже безкоштовної енергії. Багато в чому це точно. Просто подивіться туди, на ту палаючу кулю в небі. У її резервуарі залишилося палива на 5 мільярдів років.
Різноманітні національні програми, великі міжнародні зусилля під назвою ITER і щонайменше 40 приватних компаній намагаються повторити цей процес тут, на Землі.
Мета полягає в тому, щоб з’єднати атоми разом — як правило, два атоми водню, утворюючи гелій — і в процесі втратити трохи маси, що, за формулою e = mc2 , також означає вивільнення енергії. Отже, ви можете стверджувати, що енергія термоядерного синтезу настільки ж безмежна, наскільки є доступними атоми водню у Всесвіті .
Якщо говорити так, вітряні електростанції та сонячні панелі також можуть виглядати безмежними, живлячись нескінченним потоком хвиль атмосферного тиску та фотонів.
Насправді, звичайно, вони обмежені практичними міркуваннями. Дозволи. Фінансування. Конструкція та ланцюги поставок, які виробляють турбінні лопаті та фотоелектричні плівки. Обмеження складної мережі, яка потребує живлення в невідповідний час або не має проводів у потрібних місцях.
Ось чому, у міру розвитку фізики, деякі зараз починають досліджувати ймовірні практичні та економічні обмеження термоядерного синтезу. Ранній висновок полягає в тому, що енергія термоядерного синтезу не буде дешевою — точно не найдешевшим джерелом електроенергії в найближчі десятиліття, оскільки в мережі з’явиться все більше сонячної та вітрової енергії. Але синтез все ще може знайти своє місце, оскільки мережа потребує енергії в різних формах і в різний час.
«Мені було цікаво, як термоядерний синтез може економічно конкурувати з дивовижними досягненнями у відновлюваній енергії», — каже Джейкоб Шварц, фізик із Прінстонської лабораторії фізики плазми. Це було питання, яке надихнуло перейти від роботи над гарячими деталями термоядерного синтезу до економіки енергетичних мереж.
У статті, опублікованій цього місяця в журналі Joule , Шварц і його колеги використали складну модель електромережі США між 2036 і 2050 роками, щоб вивчити умови, за яких було б економічно будувати термоядерні електростанції потужністю 100 гігават, достатньої для приблизно 75 мільйонів будинків.
Загалом, наскільки дешевим має бути термоядерний синтез, щоб будувати такі електромтанції?
Результати свідчать про те, що відповідь може сильно відрізнятися залежно від вартості та суміші інших джерел енергії в декарбонізованій мережі, як-от відновлювані джерела енергії, атомна енергетика або установки природного газу, оснащені пристроями для уловлювання вуглецю.
У більшості сценаріїв термоядерний синтез, швидше за все, опиниться в ніші, схожій на ту, яку сьогодні займає атомна енергетика, хоча й без тих же головних болів щодо безпеки та марнотратства.
Обидві по суті є гігантськими системами, які використовують багато спеціалізованого обладнання для вилучення енергії з атомів, щоб кип’ятити воду та приводити в дію парові турбіни. Це означає високі початкові витрати. Але хоча електроенергія, яку вони постачають, може бути дорожчою, ніж електроенергія з відновлюваних джерел, як-от сонячна, ця електроенергія є чистою та надійною незалежно від часу доби чи погоди.
Отже, за цих умов, чи може термоядерний синтез конкурувати? Суть дослідження не полягала в оцінці вартості окремого реактора. Але хороша новина полягає в тому, що Шварцу вдалося знайти принаймні одну конструкцію, яка могла б виробляти енергію за відповідну ціну: Aries-AT, відносно детальну модель термоядерної електростанції, розроблену фізиками з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго на початку 2000-х років.
Це лише одна точка порівняння, попереджає Шварц, і інші термоядерні установки цілком можуть мати різні профілі витрат або по-різному вписуватися в сітку залежно від того, як вони використовуються. Крім того, географія матиме значення. Наприклад, на східному узбережжі США, де відновлювані джерела енергії та передача енергії обмежені, моделювання показало, що термоядерний синтез може бути корисним навіть за вищими цінами. Загалом справедливо уявити собі майбутнє, в якому термоядерний синтез стане частиною «різноманітної енергетичної дієти».
У попередньому аналізі 2021 року Семюел Уорд, фізик, який тоді працював у Йоркському університеті, та його колеги висловили більш обережний погляд. Вони окреслюють низку сценаріїв, які можуть вивести з ладу термоядерний синтез, деякі з яких можуть бути гарними новинами для світу: наприклад, що вітер і сонячна енергія можуть виконати значну частину роботи з декарбонізації мережі до того моменту, коли настане ера термоядерного синтезу, або що батареї стануть дійсно дуже дешеві та ємнісні. Не варто також забувати про перспективну технологію малих модульних атомних реакторів, які розроблені таким чином, щоб бути дешевшими у будівництві. Крім того, каже Уорд, прогнози вартості термоядерного синтезу включають матеріали та ланцюжки поставок, яких у багатьох випадках ще не існує.
«По суті, це зводиться до великої невизначеності, — каже він. — Це складне відчуття, особливо коли люди висувають цю ідею «святого Грааля» або «безмежної» енергії. Вони вживають ці слова, і я не думаю, що це робить ядерному синтезу якусь користь».
Компанії з термоядерного синтезу — як це не дивно — прагнуть пояснити, чому їхнім проектам не лише вдасться опанувати фізику термоядерного синтезу, але й бути надзвичайно економічними.
Запропоновані реактори можна загалом згрупувати у дві категорії: одна, відома як токамаки, використовує потужні магніти для виробництва плазми. Інший використовує підхід, званий інерційним утриманням, який спрямований на розчавлення та заряджання цілі, вражаючи її лазером, як в експерименті із запалюванням Національної запалювальної установки.
«Це запитання я отримую не дуже часто», — каже Міхль Біндербауер, генеральний директор TAE Technologies, коли його запитують про економічну економіку дизайну його компанії. Люди частіше запитують, як він планує розігріти плазму у своєму реакторі до 1 мільярда градусів за Цельсієм, порівняно з 75 мільйонами, які компанія продемонструвала досі. Але питання переплітаються, каже він.
Ця екстремальна температура потрібна, тому що TAE використовує бор як паливо разом із воднем, що, на думку Біндербауера, зрештою спростить термоядерний реактор і призведе до створення електростанції, будівництво якої буде дешевшим. Він ставить витрати десь між атомними реакторами і відновлюваними джерелами енергії — приблизно там, де кажуть прінстонські моделювачі.
Він зазначає, що хоча будівництво термоядерних установок буде дорогим, паливо буде надзвичайно дешевим (хоча уже прогнозуються проблеми з доступністю палива для реакторів ядерного синтезу). Крім того, менший ризик аварій і менше радіоактивних відходів з високим рівнем радіоактивності повинні означати відхід від дорогих правил, які призвели до зростання витрат для атомних електростанцій.
Боб Мамгаард, генеральний директор Commonwealth Fusion Systems, дочірньої компанії Массачусетського технологічного інституту, каже, що він був радий побачити Прінстонське моделювання, тому що вважає, що їхній токамак може подолати вимоги щодо витрат.
Ця претензія в основному ґрунтується на надпотужному магніті, який, як сподівається компанія, дозволить їй керувати токамаками — і, отже, електростанціями — у менших масштабах, заощаджуючи гроші. CFS будує зменшений прототип свого термоядерного реактора в Массачусетсі, який включатиме більшість компонентів, необхідних для робочої установки.
Ніколас Хоукер, генеральний директор компанії First Light Fusion, що займається інерційним термоядерним синтезом, у 2020 році опублікував власний економічний аналіз потужності термоядерного синтезу та був здивований, виявивши, що найбільшими факторами зростання вартості були не термоядерна камера та її незвичайні матеріали, а конденсатори і турбіни, які є елементами будь-якої електростанції.
Тим не менш, Хоукер очікує повільнішого нарощування, ніж деякі його колеги. «Перші електростанції весь час будуть виходити з ладу», — каже він, і галузь потребуватиме значної державної підтримки — так само, як сонячна промисловість протягом останніх двох десятиліть. Ось чому він вважає, що це добре, що багато урядів і компаній випробовують різні підходи: це збільшує шанси на те, що деякі технології виживуть.
Шварц погоджується. «Було б дивно, якби Всесвіт допускав існування лише однієї форми термоядерної енергії», — каже він. Ця різноманітність важлива, каже він, оскільки інакше галузь ризикує вирішити наукові проблеми лише для того, щоб загнати себе в економічний кут. Як атомна енергетика, так і сонячні батареї пройшли подібні періоди експериментів раніше на своїх технологічних траєкторіях. Згодом обидва знайшли оптимальну конструкцію — фотоелектричні ферми та масивні атомні реактори з водою під тиском.
Для термоядерного синтезу, однак, перш за все – наука. Можливо, це займе ще 30 років. Але Ворд, незважаючи на його застереження щодо обмежень термоядерного синтезу в електромережі, все ще вважає, що дослідження вже окупаються, створюючи нові досягнення у фундаментальній науці та у створенні нових матеріалів. «Я все ще вважаю, що це того варте», — каже він.
За матеріалами: Wired
