В декабре минувшего года -158106.html»>исследователи Калифорнийской национальной зажигательной установки достигли того, что многие в индустрии термоядерного синтеза назвал моментом «братьев Райт». Вечно находящаяся в стадии «запустим». спустя 30 лет» технология термоядерного синтеза вдруг стала ближе. Это и другие научные достижения возобновили надежды на «неограниченную энергию», но экономические исследования показывают, что термоядерная энергия будет дороже ветровой или солнечной.
Напомним: несмотря на заявления в СМИ, эксперимент ядерного зажигания все равно потреблял больше энергии, чем выдавал. И еще много технических проблем для того, чтобы выяснить, как использовать энергию термоядерного синтеза для выработки электричества.
Но результат побуждал к возрождению давно установленных прогнозов о том, что термоядерный синтез решит все энергетические потребности человечества. Стартапы, работающие над синтезом, сообщили о всплеске интереса со стороны инвесторов в этом году. Правительство США объявило о финансировании исследований в размере 1,4 миллиарда долларов, что положило начало 10-летнему проекту по созданию практической установки ядерного синтеза.
Ядерный синтез считается источником безграничной и почти бесплатной энергии. Во многом это точно. Просто посмотрите туда, на тот пылающий шар в небе. В ее резервуаре осталось топливо на 5 миллиардов лет.
Разнообразные национальные программы, большие международные усилия под названием ITER и не менее 40 частных компаний пытаются повторить этот процесс здесь на Земле.
Цель состоит в том, чтобы соединить атомы вместе – как правило, два атома водорода, образуя гелий – и в процессе потерять немного массы, что по формуле e = mc2 также означает высвобождение энергии. Следовательно, вы можете утверждать, что энергия термоядерного синтеза столь же безгранична, насколько доступны атомы водорода во Вселенной.
Если говорить так, ветряные электростанции и солнечные панели могут выглядеть безграничными, питаясь бесконечным потоком волн атмосферного давления и фотонов.
На самом деле они, конечно, ограничены практическими соображениями. Разрешения. Финансирование. Конструкция и цепи поставок, производящие турбинные лопасти и фотоэлектрические пленки. Ограничение сложной сети, которая требует питания в неподходящее время или не имеет проводов в нужных местах.
Вот почему по мере развития физики некоторые сейчас начинают исследовать вероятные практические и экономические ограничения термоядерного синтеза. Раннее заключение заключается в том, что энергия термоядерного синтеза не будет дешевой – точно не самым дешевым источником электроэнергии в ближайшие десятилетия, поскольку в сети появится все больше солнечной и ветровой энергии. Но синтез все еще может найти свое место, поскольку сеть нуждается в энергии в разных формах и в разное время.
«Мне было интересно, как термоядерный синтез может экономически конкурировать с удивительными достижениями в возобновляемой энергии», — говорит Джейкоб Шварц, физик из Принстонской лаборатории физики плазмы. Это был вопрос, вдохновивший перейти от работы над горячими деталями термоядерного синтеза к экономике энергетических сетей.
В статье, опубликованной в этом месяце в журнале Joule, Шварц и его коллеги использовали сложную модель электросети США между 2036 и 2050 годами, чтобы изучить условия, при которых было бы экономически строить термоядерные электростанции мощностью 100 гигаватт, достаточной для примерно 75 миллионов домов.
В общем, как дешевым должен быть термоядерный синтез, чтобы строить такие электромтанции?
Результаты свидетельствуют о том, что ответ может сильно отличаться в зависимости от стоимости и смеси других источников энергии в декарбонизированной сети, например возобновляемые источники энергии, атомная энергетика или установки природного газа, оснащенные устройствами для улавливания углерода.
В большинстве сценариев термоядерный синтез, скорее всего, окажется в нише, похожей на ту, которую сегодня занимает атомная энергетика, хотя и без тех же головных болей по поводу безопасности и расточительности.
Обе по существу являются гигантскими системами, которые используют много специализированного оборудования для извлечения энергии из атомов, чтобы кипятить воду и приводить в действие паровые турбины. Это означает высокие первоначальные издержки. Но хотя электроэнергия, которую они поставляют, может быть дороже, чем электроэнергия из возобновляемых источников, таких как солнечная, эта электроэнергия является чистой и надежной независимо от времени или погоды.
Итак, в этих условиях, может ли термоядерный синтез конкурировать? Суть исследования не заключалась в оценке стоимости отдельного реактора. Но хорошая новость состоит в том, что Шварцу удалось найти по крайней мере одну конструкцию, которая могла бы производить энергию по соответствующей цене: Aries-AT, относительно детальную модель термоядерной электростанции, разработанную физиками из Калифорнийского университета в Сан-Диего в начале 2000-х годов.
Это лишь одна точка сравнения, предупреждает Шварц, и другие термоядерные установки вполне могут иметь разные профили расходов или по-разному вписываться в сетку в зависимости от того, как они используются. Кроме того, география будет иметь значение. Например, на восточном побережье США, где возобновляемые источники энергии и передача энергии ограничены, моделирование показало, что термоядерный синтез может быть полезен даже по более высоким ценам. В общем, справедливо представить себе будущее, в котором термоядерный синтез станет частью «разнообразной энергетической диеты».
В предварительном анализе 2021 года Сэмюэл Уорд, физик, работавший тогда в Йоркском университете, и его коллеги выразили более осторожный взгляд. Они определяют ряд сценариев, которые могут вывести из строя термоядерный синтез, некоторые из которых могут быть хорошими новостями для мира: например, что ветер и солнечная энергия могут выполнить значительную часть работы по декарбонизации сети до того момента, когда наступит эра термоядерного синтеза, или что батареи станут действительно очень дешевые и емкостные. Не стоит также забывать о перспективной технологии малых модульных атомных реакторов, которые разработаны таким образом, чтобы быть дешевле в строительстве. Кроме того, говорит Уорд, прогнозы стоимости термоядерного синтеза включают в себя материалы и цепочки поставок, которых во многих случаях еще не существует.
«По сути это сводится к большой неопределенности, — говорит он. — Это сложное чувство, особенно когда люди выдвигают эту идею «святого Грааля» или «безграничной» энергии. Они употребляют эти слова, и я не думаю, что это делает ядерному синтезу какую-то пользу».
Компании по термоядерному синтезу, как это ни странно, стремятся объяснить, почему их проектам не только удастся овладеть физикой термоядерного синтеза, но и быть чрезвычайно экономичными.
Предложенные реакторы можно сгруппировать в две категории: одна, известная как токамаки, использует мощные магниты для производства плазмы. Другой использует подход, называемый инерционным содержанием, который направлен на раздавливание и зарядку цели, поражая ее лазером, как в эксперименте с зажиганием Национальной зажигательной установки.
«Этот вопрос я получаю не очень часто», — говорит Михль Биндербауэр, генеральный директор TAE Technologies, когда его спрашивают об экономической экономике дизайна его компании. Люди чаще спрашивают, как он планирует разогреть плазму в своем реакторе до 1 миллиарда градусов Цельсия, по сравнению с 75 миллионами, которые компания продемонстрировала до сих пор. Но вопросы переплетаются, говорит он.
Эта экстремальная температура нужна, потому что TAE использует бор в качестве топлива вместе с водородом, что, по мнению Биндербауэра, в конечном счете упростит термоядерный реактор и приведет к созданию электростанции, строительство которой будет дешевле. Он ставит расходы где-то между атомными реакторами и возобновляемыми источниками энергии — примерно там, где говорят принстонские модели.
Он отмечает, что хотя строительство термоядерных установок будет дорогим, топливо будет чрезвычайно дешевым (хотя уже прогнозируются проблемы с доступностью топлива для реакторов ядерного синтеза). Кроме того, меньший риск аварий и меньшее количество радиоактивных отходов с высоким уровнем радиоактивности должны означать отход от дорогостоящих правил, которые привели к росту расходов для атомных электростанций.
Боб Мамгаард, генеральный директор Commonwealth Fusion Systems, дочерней компании Массачусетского технологического института, говорит, что он был рад увидеть Принстонское моделирование, потому что считает, что их токамак может преодолеть требования по расходам.
Эта претензия в основном основывается на сверхмощном магните, который, как надеется компания, позволит ей управлять токамаками – и, следовательно, электростанциями – в меньших масштабах, экономя деньги. CFS строит уменьшенный прототип своего термоядерного реактора в Массачусетсе, включающий большинство компонентов, необходимых для рабочей установки.
Николас Хоукер, генеральный директор компании First Light Fusion, занимающейся инерционным термоядерным синтезом, в 2020 году опубликовал собственный экономический анализ мощности термоядерного синтеза и был удивлен, обнаружив, что наибольшими факторами роста стоимости были не термоядерная камера и ее необычные материалы, а конденсаторы и турбин , являющиеся элементами любой электростанции.
Тем не менее, Хоукер ожидает более медленного наращивания, чем некоторые его коллеги. «Первые электростанции все время будут выходить из строя», — говорит он, и отрасль потребует значительной государственной поддержки — так же, как солнечная промышленность за последние два десятилетия. Вот почему он считает, что это хорошо, что многие правительства и компании испытывают разные подходы: это увеличивает шансы на то, что некоторые технологии выживут.
Шварц соглашается. «Было бы странно, если бы Вселенная допускала существование одной формы термоядерной энергии», — говорит он. Это разнообразие важно, говорит он, поскольку иначе отрасль рискует решить научные проблемы только для того, чтобы загнать себя в экономический угол. Как атомная энергетика, так и солнечные батареи прошли подобные периоды экспериментов раньше на своих технологических траекториях. Впоследствии оба нашли оптимальную конструкцию – фотоэлектрические фермы и массивные атомные реакторы с водой под давлением.
Для термоядерного синтеза, однако, прежде всего – наука. Может, это займет еще 30 лет. Но Уорд, несмотря на его оговорку относительно ограничений термоядерного синтеза в электросети, все еще считает, что исследования уже окупаются, создавая новые достижения в фундаментальной науке и в создании новых материалов. «Я все еще считаю, что это того стоит», — говорит он.
По материалам: Wired
