Ядерный синтез сейчас кажется актуальным, но насколько близко к нему близка термоядерная энергия?

Вехи ядерного синтеза на канадском реакторе General Fusion и китайском реакторе EAST вызвали ажиотаж вокруг этого потенциально безграничного, чистого источника энергии становится реальностью на фоне растущего спроса на электроэнергию со стороны искусственного интеллекта и электрификации. Тем временем по всему миру появляются новые стартапы в области термоядерного синтеза, привлекающие миллиарды частных инвестиций.

Вот более пристальный взгляд на ядерный синтез и где его развитие находится в Канаде и мире.

Что такое ядерный синтез?

Ядерный синтез исследовался на протяжении десятилетий как способ производства чистой, безопасной и безграничной энергии из богатого источника.

Синтез происходит, когда ядра в центрах двух атомов объединяются в одно ядро, образуя более тяжелый элемент и выделяя огромное количество энергии. Объединение ядер водорода в гелий питает наше Солнце. Эту же реакцию можно использовать в реакторах на Земле.

Водород, топливо для этой реакции, широко доступен в воде на Земле. И в отличие от реакций в традиционных ядерных реакторах, в которых расщепляются атомы радиоактивных элементов, таких как уран, реакции термоядерного синтеза не приводят к образованию радиоактивных отходов. Но коммерческих термоядерных реакторов пока нет.

Почему в последнее время в новостях упоминается ядерный синтез?

Китайский термоядерный реактор EAST (Экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак) недавно достиг важной вехи. Термоядерным реакторам необходимо поддерживать чрезвычайно горячий и конденсированный водород в форме плазмы, какой он находится на Солнце. Ранее в этом месяце Китайская академия наук объявила, что EAST сохранял стабильность плазмы при плотности, превышающей предыдущий предел. Это может позволить в будущем производить меньшие по размеру и более дешевые коммерческие термоядерные реакторы. Отчеты о природе.

Роберт Федосеев, профессор Университета Альберты, который занимается исследованиями лазерного синтеза более 50 лет, сказал, что эти результаты были предсказаны много лет назад, хотя на самом деле это «шаг вперед».

А Объявление за ноябрь 2024 г. от компании General Fusion, расположенной в Ричмонде, Британская Колумбия, а также снова появился в новостях в этом месяце, который описывается как «мировой рекорд» по производству нейтронов — побочных продуктов, которые показывают, насколько произошел термоядерный синтез.

Федосеев сказал, что этот рекорд относится только к собственной технологии General Fusion — некоторые термоядерные реакторы, финансируемые государством, осуществили на порядки больше термоядерного синтеза с другими технологиями. Однако, добавил он, General Fusion «продвинулся дальше, чем большинство [fusion] стартапы, которые вообще не производили нейтроны».

Оба недавних события важны, но постепенны, сказал Блэр Бромли, бывший сопредседатель Отдела науки и технологий термоядерной энергетики и ускорителей Канадского ядерного общества.

В других новостях канадского фьюжн, новый Центр термоядерной энергетики в Онтарио было объявлено менее двух месяцев назад. Он будет создан на сумму 33 миллиона долларов от федерального правительства и корпорации Crown Atomic Energy of Canada Ltd., 19,5 миллионов долларов от правительства Онтарио и корпорации Crown Ontario Power Generation и 39 миллионов долларов от термоядерного стартапа Stellarex Group Ltd. Стелларекс говорит Миссия центра будет включать проектирование, строительство и эксплуатацию демонстрационного реактора, но сроки не указаны.

Почему в последнее время наблюдается глобальный интерес к термоядерному синтезу?

Эндрю Холланд является генеральным директором Ассоциации термоядерной промышленности (FIA), глобальной организации, которая заявляет, что представляет все крупные частные термоядерные компании в мире за пределами Китая.

Холланд сказал, что инвесторы во всем мире думают об изменении климата и энергетической безопасности на фоне растущего спроса на энергию со стороны центров обработки данных и искусственного интеллекта: «В идеале нам нужно гораздо больше безуглеродной, постоянно работающей и всегда доступной энергии. Fusion может решить эту проблему».

Между тем, «наука продвинулась до такой степени, что… компании уверены, что следующая машина, которую они создадут, будет работать», — сказал он.

Отраслевая группа была основана в 2021 году и включает 24 компании-члена. За последние пять лет число термоядерных компаний увеличилось более чем вдвое и достигло 53, а в частные термоядерные стартапы было инвестировано более 10 миллиардов долларов США.

Инвесторы включают технологические компании Microsoft и Google, миллиардеры Билл Гейтс и Джефф Безос, а также нефтяная компания Chevron.

FIA заявляет, что большинство ее членов ожидают увидеть синтез электроэнергии для энергосистемы в 2030-х годах.

Это звучит оптимистично. Насколько мы близки на самом деле?

Проблемой для термоядерного синтеза было огромное количество энергии, которое необходимо потратить даже на начало реакции.

Три года назад, реакция термоядерного синтеза в Национальной установке зажигания Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в США произвела немного больше энергии, чем было затрачено.. Это был первый случай, когда реакция термоядерного синтеза произвела чистую энергию.

Федосеев сказал, что это “действительно подняло осведомленность и, я думаю, оптимизм”.

Но получить немного больше энергии, чем было вложено, недостаточно. На электростанции это соотношение должно быть намного выше.

ИТЭР (Международный термоядерный экспериментальный реактор), огромный термоядерный реактор, строящийся во Франции в сотрудничестве с Китаем, Европейским Союзом, Индией, Японией, Кореей, Россией и США, ориентировочная стоимость которого составляет 13 миллиардов евро (21 миллиард канадских долларов), направлен на достижение этой цели. Он будет использовать 50 мегаватт электроэнергии для выработки 500 мегаватт термоядерной энергии — примерно в 10 раз лучше, чем первоначальный результат NIF (хотя с тех пор NIF увеличил урожайность в четыре раза по сравнению с заложенным), и этого достаточно для обеспечения энергией примерно 250 000 домов, а также для ввода в эксплуатацию в конце 2030-х годов.

Федосеев сказал, что ученые вполне уверены, что такой большой термоядерный реактор сможет это сделать.

Но прежде чем мы введем в эксплуатацию термоядерные электростанции, остаются и другие проблемы.

Сильная жара и Излучение, возникающее в результате термоядерных реакций, повреждает реактор, ограничивая его срок службы примерно «менее часа общего времени работы», сказал Федосеев, хотя это будет разделено на более чем дюжину запусков по несколько сотен секунд. Эрасширение, которое потребует некоторых инженерных разработок и решений, таких как новые материалы.

Роль Канады в стимулировании термоядерного синтеза

Кроме тогоn к проблемам с выпуском, no еще не создана самоподдерживающаяся топливная система.

Сегодняшние термоядерные реакторы основаны на объединении двух разных видов водорода, называемых дейтерий и тритий.

Дейтерий естественным образом содержится в воде, но тритий производится с использованием нейтронов и лития. В будущем инженеры стремятся создать систему, которая будет подавать нейтроны, образующиеся в результате реакций термоядерного синтеза, в «контейнер-размножитель» лития, который будет генерировать больше трития, но такого пока не существует.

Тем временем тритий необходимо производить где-то еще и подавать в реактор.

Большая часть коммерческого трития в мире в настоящее время производится ядерными реакторами CANDU в Онтарио.

Канада поставки тритий и оборудование и технологии, связанные с тритием в ИТЭР, и он будет поставлять тритий на Управление по атомной энергии Соединенного Королевства для ядерного синтеза.

Затраты должны снизиться

Хотя гигантские реакторы, такие как ИТЭР, могут генерировать термоядерную энергию, они чрезвычайно дороги. Сейчас вопрос заключается в том, смогут ли коммерческие термоядерные реакторы стать экономически конкурентоспособными по сравнению с другими источниками электроэнергии с нулевым выбросом углерода, сказал Бромли.. Цель термоядерного синтеза — конкурировать с более непрерывными источниками «базовой нагрузки», такими как традиционные ядерные и гидроэлектростанции. Между тем, солнечная и ветровая энергия уже дешевле, чем ископаемое топливо.

Вот почему стартапы в области термоядерного синтеза пытаются найти способы сделать реакторы меньшего размера и дешевле, используя новые технологии, такие как высокотемпературные сверхпроводящие магниты.

Бромли говорит, что наука достигла такого уровня, что частная промышленность может работать параллельно с правительством над многими практическими технологическими и инженерными проблемами.

«Многие люди в частном секторе думали, что это проблема, это возможность получить прибыль и решить проблему, которая необходима во всем мире», – сказал он.

Холланд говорит, что, по его мнению, мы сейчас достаточно близки к термоядерным реакторам, что промышленность должна начать создавать цепочки поставок, а правительства должны начать внедрять государственную политику и правила для их поддержки.

«Мы должны начать информировать людей о том, что это произойдет», – сказал он. «Мы должны убедиться, что люди знают и понимают, насколько это интересно, чтобы они действительно хотели, чтобы эта вещь была построена в их сообществах».