Ядерный синтез: наука, лежащая в основе энергетических технологий

Эта статья была обновлена.

Шумиха вокруг атомной энергетики термоядерная энергия продолжает развиватьсяприближая науку к достижению «Святого Грааля» создания практически неисчерпаемых запасов энергии без выбросов.

На килограмм топлива в результате термоядерного синтеза можно получить почти четыре миллиона раз больше энергии, чем уголь или нефть, заявляет Международное агентство по атомной энергии. Легко понять, почему это может изменить правила игры в борьбе с изменением климата. Тем не менее, даже после почти 70 лет исследований некоторые ключевые технологические препятствия остаются.

После серия прорывов В выработке энергии существующих реакторов в последние годы Академия наук Китая объявила, что ее термоядерный реактор, получивший название «искусственное солнце», преодолеть еще одно серьезное препятствие на пути к масштабируемому синтезу энергия. Экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST) поддерживал стабильность плазмы – ключ к инициированию и поддержанию реакции термоядерного синтеза – при экстремальных плотностях, ранее считавшихся невозможными.

Согласно сообщениям в Природа и Файнэншл Таймс.

Наряду с государственными инвестициями растет и частное финансирование. вырастет до $10,6 млрд в период с 2021 по 2025 год.. Число компаний, участвующих в термоядерных проектах, увеличилось более чем вдвое — с 23 до 53 за тот же период. Эта технология привлекла инвесторов, в том числе технологических гигантов Microsoft и Google, а также нефтяного гиганта Chevron, а также миллиардеров Билла Гейтса и Джеффа Безоса.

Наши нынешние атомные электростанции используют ядерное деление, по существу расщепляя ядро атома. Ядерный синтез, процесс, который питает Солнце и звезды, объединяет два атомных ядра в одно большее.

Синтез происходит, когда два легких атома соединяются или сливаются, образуя более тяжелый. Общая масса нового атома меньше, чем у двух, его образовавших; «недостающая» масса выделяется в виде энергии, как описано Альберт Эйнштейн знаменитое уравнение E=mc2.

Существует несколько «рецептов» ядерного синтеза, основанных на различных комбинациях атомов.

Наиболее многообещающей комбинацией энергии на Земле сегодня является синтез атома дейтерия с атомом трития. Этот процесс, для которого требуется температура около 72 миллионов градусов по Фаренгейту (39 миллионов градусов по Цельсию), производит 17,6 миллионов электрон-вольт энергии.

Дейтерий является многообещающим ингредиентом, поскольку он является изотопом водорода. В свою очередь, водород является ключевой частью воды. Галлон морской воды (3,8 литра) может произвести столько же энергии, сколько 300 галлонов (1136 литров) бензина.

Хотя энергия ядерного синтеза открывает перспективу стать почти неисчерпаемым источником энергии для будущих поколений, она также ставит перед собой множество научных и инженерных проблем, которые сдерживают прогресс.

Массивные гравитационные силы внутри Солнца создают подходящие условия для ядерного синтеза в ядре звезды, но на Земле их гораздо сложнее достичь.

Термоядерное топливо должно быть нагрето до экстремальных температур примерно 50 миллионов градусов по Цельсию, поддерживаться под сильным давлением, быть достаточно плотным и удерживаться достаточно долго, чтобы позволить ядрам слиться.

Термоядерный синтез происходит в перегретой плазме, чаще всего заключенной в бубликообразную или тороидальную камеру или токамак, с использованием сильных магнитов. Поддержание стабильности этой плазмы в течение длительного периода времени остается проблемой.

Принадлежащая Google компания DeepMind, занимающаяся искусственным интеллектом, работает со стартапом Commonwealth Fusion Systems (CFS) и Федеральной политехнической школой Лозанны, чтобы развернуть ИИ для управления плазмой. На сегодняшний день сотрудничество показало, что глубокое обучение с подкреплением может помочь стабилизировать плазму в токамаке. Эти знания теперь будут применены в работе CFS, направленной на оптимизацию термоядерной энергии и ускорение пути к коммерциализации ядерного синтеза.

Тем временем гигант в области ИИ-чипов NVIDIA и энергетическая и оборонная компания General Atomics при поддержке ряда академических партнеров разрабатывают модель цифрового двойника для моделирования поведения плазмы на Национальной термоядерной установке DIII-D в Сан-Диего. Цель состоит в том, чтобы практически провести стресс-тестирование реактора, не причинив ему реального ущерба.

Этот уровень управления ИИ является решающим фактором достижения цели «без плотности», достигнутой EAST, обеспечивая точность на уровне миллисекунд, необходимую для поддержания стабильности при экстремальных плотностях.

Успех Китая в расширении границ термоядерных технологий является лишь последним в серии прорывов, которые приблизили термоядерный синтез к обеспечению энергетического перехода.

Помимо поддержания стабильности плазмы, основной проблемой для исследователей является увеличение мощности термоядерного реактора сверх затрат энергии, необходимой для инициирования реакции.

С 2022 года Национальный центр зажигания (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии постоянно увеличивает чистый прирост энергии от термоядерного синтеза. Первоначальное достижение 3,15 мегаджоулей (МДж). С тех пор команда NIF стандартизировала процесс воспламенения, добившись большей мощности. В апреле 2025 года было доставлено 8,6 МДж, что более чем в четыре раза превышает 2,08 МДж. обеспечивается лазером для зажигания.

Большие надежды возлагаются на завершение строительства нового термоядерного реактора во Франции, ИТЭР, сотрудничества 34 стран, которое создаст самый большой токамак в мире. Цель состоит в том, чтобы генерировать 500 мегаватт (МВт) термоядерной энергии в качестве следующего шага к демонстрации чистого прироста энергии. Однако из-за задержек в строительстве исследовательские работы теперь должны начаться в 2034 году. стремление к полномасштабным термоядерным реакциям к 2039 году.

Наряду с исследовательскими центрами частные компании наращивают усилия по превращению термоядерного синтеза в коммерческую реальность, ускоряя энергетический переход.

На Давосе 2026 года Франческо Скиортино, соучредитель и генеральный директор Proxima Fusion, еще одного участника термоядерной гонки, заявил, что Целью всех этих компаний является развитие «концепции реакторов, которые представляют собой не просто эксперименты, но и пытаются фактически нацелиться на производство энергии».

Государственные и частные усилия основываются на более ранних работах исследователей-новаторов, в том числе из лаборатории термоядерного синтеза JET. Объединенный европейский тор Объект в Великобритании, если дать ему полное название, был результатом сотрудничества европейских ученых-ядерщиков.

На встрече в Давосе в этом году Скиортино из Proxima Fusion сказал: «Fusion — это не просто одна технология. Речь идет о понимании нескольких факторов». К ним относятся вычисления, такие материалы, как сверхпроводники и мощные лазеры, а также комплексные разработки и цепочки поставок, добавил он.

Многие из них сейчас начинают сходиться, приближая термоядерный синтез к точке, в которой он больше не является экспериментальным, но может обеспечивать электроэнергию из сети. «Но создание стоимости посредством объединения интеллектуальной собственности означает, что мы создаем, возможно, одну из самых важных отраслей нового века».

«Это очень интересная экосистема, и эта экосистема действительно в значительной степени опирается на государственно-частное партнерство. Нам нужно, чтобы правительства не отступали, а принимали еще большее участие. И совместная работа также является частью того, как мы можем ускориться».

Ким Будил, директор лаборатории Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, где базируется NIF, добавил: «Исторически мы всегда говорили, что до термоядерной энергии осталось 30 лет, и так будет всегда. И я думаю, что это уже не так».

«Но мне приходится управлять ожиданиями. Слияние — это сложно. Нам потребовалось очень много времени, чтобы добраться до этой точки, и, хотя есть много благоприятных моментов, предстоит проделать большую работу, чтобы реализовать эту возможность», — предупредила она.

Как и Сьортино, она подчеркнула важность государственно-частного партнерства.

«Это момент для другой операционной модели, в которой частный сектор и государственный сектор должны работать вместе, по-новому, чтобы реализовать возможности».