Солнце в бутылке

В декабре этого года мировые лидеры встретятся в Париже на конференции Организации Объединенных Наций по изменению климата, где будут заново пытаться выработать глобальное соглашение по сокращению выбросов парниковых газов. Несмотря на неизбежное чувство дежавю, которое будет возникать, когда переговорщики начнут опять бороться в поисках компромисса, им не стоит сдаваться. Независимо от политических или экономических соображений факт остается фактом: если произойдет глобальное повышение температуры на более чем два градуса по сравнению с доиндустриальными уровнями, последствия для планеты будут катастрофическими.

Но трудности не заканчиваются сокращениями выбросов. Действительно, даже если мы совершим переход к экологически чистому миру до 2050 года, нам необходимо определить, как в долгосрочной перспективе удовлетворять ненасытному энергетическому аппетиту растущего глобального населения – а ведь это императив, который возобновляемые источники энергии не могут удовлетворить в одиночку. Именно поэтому мы должны сейчас инвестировать в другие технологии, которые могут дополнять возобновляемые источники энергии и обеспечивать надежное электроснабжение в течение столетий. Один из наиболее перспективных вариантов – это ядерный синтез, процесс, который питает Солнце и все звезды.

В земных условиях ядерный синтез, способный стать основным источником энергии с низким содержанием углерода, осуществляется в первую очередь при помощи лития и дейтерия (изотопа водорода), которые имеются в изобилии в морской воде и в земной коре. Электростанция, запускающая процесс синтеза, будет нуждаться лишь примерно в 450 кг топлива ежегодно, она не станет загрязнять атмосферу и совершенно безвредна с точки зрения вероятности техногенных катастроф, которые могут привести к радиоактивному загрязнению окружающей среды.

Хотя у ученых уже есть прогресс в развитии этой технологии (процесс сплавления произвел энергию в 16 млн ватт), им еще предстоит создать самоподдерживающееся термоядерное «горение». Действительно, в отличие от ядерного деления, которое совершило переход от лаборатории до электросетей буквально за два десятилетия, ядерный «фьюжн» еще остается крепким орешком для исследователей.

Проблема заключается в том, что слияние предполагает объединение двух положительно заряженных ядер (как известно из фундаментальной науки, одинаково заряженные стороны отталкиваются друг от друга). Только при экстремально высоких температурах – более 100 млн градусов по Цельсию, или почти в десять раз горячее, чем на Солнце, – ядра двигаются настолько быстро, что преодолевают взаимное отталкивание.

Ученые потратили последние 60 лет, пытаясь выяснить, какой способ лучше создает такие условия. Сегодня преимущество отдается устройству, известному как «токамак», то есть тороидальная камера с магнитными катушками: магнитная бутылка, в которой топливо, хранящееся при температуре 100–200 млн градусов по Цельсию, сплавляется и таким путем освобождает огромное количество энергии.

Мы должны сейчас инвестировать в другие технологии, которые могут дополнять возобновляемые источники энергии и обеспечивать надежное электроснабжение в течение многих столетий. Один из наиболее перспективных вариантов – это ядерный синтез, процесс, который питает Солнце и все звезды

Конечно, держать Солнце в бутылке – непростая задача, особенно если учесть, что система должна быть сконструирована таким образом, чтобы мы могли производить электроэнергию по цене, которую потребители готовы платить. Но в солнечном уголке на юге Франции рождается глобальный мегапроект, который будет впервые в истории разработки тестировать технологию в промышленных объемах, создавая первое управляемое горение термоядерного синтеза.

Все, что связано с так называемым реактором ИТЭР (Международный экспериментальный термоядерный реактор), крупное по своей сути. Он будет тяжелее, чем три Эйфелевы башни; материалом, необходимым для его сверхпроводящих магнитов, можно дважды обмотать экватор; а его стоимость составляет свыше 15 млрд евро (16,8 млрд долларов), что делает его одним из крупнейших международных научных проектов в истории. Партнеры ИТЭРа – Китай, Европейский союз, Индия, Япония, Россия, Южная Корея и Соединенные Штаты – представляют собой половину мирового населения. Если все пройдет успешно, то реактор будет производить полгигаватта термоядерной энергии и откроет путь для коммерческих реакторов.

Но токамак – это не единственный выход. Другие конструкции вступают в гонку по освоению термоядерной энергии. Ливерморская национальная лаборатория им. Э. Лоуренса достигла впечатляющих результатов при стрельбе мощными лазерами в капсюли топлива, раздробляя таким способом частицы для запуска термоядерных реакций.

В других странах, особенно в США, предприятия, которые занимаются ядерным синтезом и финансируются частными инвесторами, растут как грибы – и у каждого своя концепция Святого Грааля энергии. Так как токамак на сегодняшний день – самая передовая технология, на него делают основную ставку, однако конкуренция может стимулировать дальнейшие инновации и прогресс.

Некоторые не одобряют инвестиций в ядерный синтез, утверждая, что это чересчур дорогостоящий способ и было бы лучше вкладывать финансовые ресурсы в испытание других возможностей развития энергетики. Критики правы: учитывая, что синтез может быть осуществлен только в больших масштабах, его потребности в инвестициях значительны.

В 1970-х годах американские исследователи подсчитали, что, для того чтобы термоядерная энергия дошла до электростанции, потребуются инвестиции в научные исследования и разработки с 1990 по 2005 год в размере 2–3 млрд долларов в год. Они также подсчитали минимальный уровень капиталовложений, ниже которого финансирование не будет достаточным, чтобы построить термоядерную электростанцию. Однако реальные бюджеты исследований в области ядерного синтеза оставались ниже этого уровня на протяжении последних 30 лет.

Потенциал ядерного синтеза слишком велик, чтобы от него отказаться. И в действительности прогресс, достигнутый в последние годы (несмотря на отсутствие достаточных инвестиций), опровергает слова скептиков. Механизмы по всему миру уже достигают термоядерных температур, расширяя наши технологические возможности. Запуск ИТЭРа, планируемый на начало 2020-х годов, должен воплотить в жизнь эти достижения ученых, что позволит нам продвинуться к последнему шагу к нашей конечной цели – получению доступной термоядерной электростанции.

Без ядерного синтеза энергетические возможности будущих поколений будут сильно ограничены, что создаст серьезную проблему как для развитых, так и для развивающихся стран. Лев Арцимович, создатель токамака, сказал: «Синтез будет готов к тому времени, когда общество станет в нем нуждаться». Надо лишь надеяться, что он прав. Вместо того чтобы ожидать подтверждения правоты исследователей ядерного синтеза, миру следует активизировать инвестиции в эту технологию. Наше будущее может зависеть от этого.

Стивен Чарльз Коули – CEO Управления по атомной энергии Великобритании (UKAEA), профессор физики в Имперском колледже Лондона, глава EURATOM / CCFE Fusion Association, избранный президент Колледжа Корпус-Кристи Оксфордского университета.