Пока мир ждёт запуска гигантского международного реактора ITER, который строится уже два десятилетия и регулярно сдвигает сроки, частный сектор делает свой ход. Type One Energy – американский стартап, в финансировании которого участвовал Билл Гейтс, подал первую в истории заявку на лицензию для строительства термоядерной электростанции. Это не очередной лабораторный эксперимент – речь идёт о реальном лицензировании с участием регуляторов штата Теннесси, что означает переход термоядерной энергетики из стадии "вечных экспериментов" в стадию бюрократической подготовки к строительству.
Вот ключевые особенности проекта:
Инвестиции составили более 160 миллионов долларов, следующий раунд Series B будет уже на 250 миллионов
В качестве локации выбрана площадка бывшей угольной станции Булл-Ран в Клинтоне, штат Теннесси
Прототип Infinity One планируется запустить уже в 2029 году
Коммерческую станцию Infinity Two мощностью 350 МВт начнут строить уже в 2028 году
Для понимания масштаба – 350 МВт это примерно столько, сколько потребляет город на 250–300 тысяч жителей.
Почему это не очередной токамак
Главная особенность данного проекта термоядерного синтеза в самой технологии. Type One Energy ставит не на токамаки, которые доминируют в отрасли (включая тот же ITER), а на стеллараторы. Разница в том, что токамаки удерживают плазму комбинацией внешних магнитов и мощных электрических токов, проходящих через саму плазму, что создаёт проблемы с нестабильностью.
В то же время, стеллараторы полностью полагаются на сложнейшие трёхмерные магнитные катушки – их значительно труднее спроектировать (требуются суперкомпьютерные расчёты), но зато они способны работать в непрерывном режиме, избегая нестабильностей.
Конечно, все это не гарантирует, что оба стеллатора сразу начнут вырабатывать энергию – сначала их необходимо построить. После этого начнется самое сложное – добиться позитивного уровня выделения энергии. То есть, они должны вырабатывать больше, чем требуется на поддержание термоядерной реакции. Сегодня в мире пока не существует термоядерных реакторов, способных работать выделять больше энергии продолжительное время.
На уроке по химии вам рассказали, что для процесса горения необходим кислород. Потом вы перешли в кабинет физики, и там вам поведали о бескрайнем космосе, в котором, кстати, почти нет кислорода. И тут возникает немного детский, но гениальный вопрос: как же горят звезды? А никак — они не горят в «земном» смысле слова. В этом материале проникнем в самое сердце звезды и узнаем ее секрет — откуда столько энергии и почему гравитация не тушит этот «огонь».
Что такое звезда?
По традиции, начинаем издалека.
Звезда — это большой раскаленный шар из газа. Почти полностью он состоит из водорода и гелия, совсем немного приходится на другие вещества.
Каждой звезде, как и живому существу, свойственно проходить цикл жизни — от рождения до смерти. Только длится эта жизнь по сравнению с ничтожными нашими невероятно долго — от миллионов до триллионов лет! За это время звезда может сильно измениться: стать больше или меньше, горячее или холоднее, стать ярче или потускнеть. В общем, все как у людей.
Звезды рождаются внутри гигантских скоплений газа и пыли — это молекулярные облака. Они действительно огромны — их масса может быть в тысячи и даже миллионы раз больше, чем у нашего Солнца, а их размеры достигают сотен световых лет. А еще внутри них очень холодно, поэтому частицы газа начинают медленно притягиваться друг к другу и слипаться, образуя более плотные сгустки. Затем какие-то из них могут сталкиваться между собой или притягивать к себе еще больше вещества, постепенно наращивая свою массу. Чем больше масса, тем сильнее становится их гравитация.
Жизненный цикл молекулярного облака
Гравитация продолжает расти и в итоге становится настолько мощной, что сгусток под ее действием начинает очень быстро сжиматься. От этого сжатия вещество внутри сильно нагревается. Так возникает протозвезда — зародыш будущей звезды.
«Звездные ясли» — астрономическое название облаков, в которых идет активное образование звезд.
Как и почему звезды светятся?
Сначала молодая звезда (та самая протозвезда) получает энергию в основном от тепла, которое выделяется при ее первоначальном сжатии под действием собственной гравитации. Проходят миллионы лет, и в самом центре звезды давление и температура начинают чудовищно шкалить. Эти условия заставляют ядра атомов водорода с огромной силой сталкиваться и соединяться, превращаясь в ядра гелия. Этот процесс называется ядерным синтезом, или термоядерной реакцией.
Солнце испускает вспышки
Именно ядерный синтез и становится главным и мощнейшим энергетическим героем звезды. Выделяющееся колоссальное количество тепла раскаляет звезду изнутри и создает давление, которое может уравновесить силу гравитации, стремящуюся ее сжать. Наконец звезда обретает стабильность — внутренний «ядерный огонь» не дает ей сколлапсировать под собственным весом.
Коллапс — резкое и сильное сжатие космического объекта (звезды или облака газа) под действием собственной силы тяжести. Это похоже на воздушный шарик, из которого выпустили воздух, и он схлопнулся внутрь себя.
Как устроена термоядерная реакция?
Термоядерные реакции в звездах (особенно в нашем Солнце) — это процессы, превращающие массу в энергию. Эта энергия — основной источник, который поддерживает жизнь звезд на протяжении всего их существования. Солнце, относящееся к звездам главной последовательности, производит энергию главным образом за счет протон-протонной цепочки. Работает это так: четыре ядра водорода (протона) сливаются, формируют ядро гелия и высвобождают энергию в виде гамма-лучей и нейтрино.
Схема термоядерной реакции на примере слияния дейтерия и трития (изотопы водорода)
Разумеется, для запуска таких реакций требуются экстремальные условия: температура около 15 миллионов кельвинов, колоссальное давление и очень высокая плотность частиц в солнечном ядре. Как уже говорилось, этот синтез не только питает Солнце, но и удерживает его от коллапса под собственной тяжестью. Давление, создаваемое выделяющейся энергией, действует наружу и уравновешивает гравитационные силы, стремящиеся сжать звезду.
Энергетическая мощь Солнца огромна — около 3,83 × 10²⁶ джоулей. Это во много раз превышает потребности в энергии всего человечества.
Звезды с большей массой используют другой механизм термоядерного синтеза — углерод-азот-кислородный цикл. Он протекает при еще более высоких температурах (да, такое бывает), а это ведет к более быстрому расходу топлива и сокращению срока жизни звезды. В конечном счете жизненный цикл звезд может завершиться по-разному: образованием белых карликов или впечатляющими взрывами сверхновых, которые вносят вклад в космический синтез более тяжелых элементов.
Остаток сверхновой, которую наблюдал и изучал датский астроном Тихо Браге в 1572 году. Она находится на расстоянии около 13 000 световых лет в созвездии Кассиопеи.
Пульсары — нейтронные звезды, которые вращаются вокруг своей оси со скоростью около 500-700 метров в секунду.
Пульсар
Принципы термоядерных реакций важны не только для астрофизики. Именно они лежат в основе перспективных проектов по созданию управляемого термоядерного синтеза на Земле — потенциально неисчерпаемого источника энергии, использующего те же процессы, что питают звезды.
Словом, этот могучий природный процесс не огонь, а кое-что гораздо круче! Он поддерживает горение всех звезд во Вселенной, и он же — автор химических элементов, из которых состоим мы сами. Понимание природы термоядерного синтеза — это не только про космос, но и, возможно, про будущее чистой и неисчерпаемой энергии на Земле.
ИТЭР - термоядерный реактор стоимостью 28 миллиардов долларов — во Франции наконец-то обзавелся последней магнитной катушкой, — как сообщают эксперты. Однако сам реактор заработает на полную мощность не раньше 2039 года. И вот чем обусловлено такое решение.
Крупнейший в мире термоядерный реактор достроили летом 2024 года. Правда, он не заработает еще 15 лет, — заявили ученые, работающие на международном экспериментальном проекте по строительству реактора типа токамак iter (ИТЭР). Первоначально планировалось, что первые полноценные испытания ИТЭР, — из 19 массивных катушек, соединенных в несколько тороидальных магнитов, — начнутся в 2020 году. Теперь же эксперты называют датой начала испытаний 2039 год.
«Конечно, задержка ИТЭР идет не в правильном направлении. Что касается влияния ядерного синтеза на проблемы, с которыми сейчас сталкивается человечество, — нам не следует ждать, пока ядерный синтез решит их. Это неразумно»
Пьетро Барабаски, генеральный директор проекта ИТЭР
Самый большой в мире термоядерный реактор является продуктом сотрудничества 35 стран, включая все государства Европейского Союза, Россию, Китай, Индию и США. ИТЭР содержит самый мощный в мире магнит: при этом впечатляющая конструкция реактора не обходится дешево.
Первоначально планировалось, что стоимость реактора составит около 5 миллиардов долларов и он будет запущен в 2020 году. Но, претерпев множество задержек, бюджет превысил 22 миллиарда долларов, а дополнительные 5 миллиардов долларов были предложены для покрытия дополнительных расходов. Эти непредвиденные траты и задержки стали причиной и нынешней 15-летней задержки.
Ученые пытались использовать силу ядерного синтеза — процесса горения звезд — уже более 70 лет.
Сливаясь, атомы водорода образуют гелий при чрезвычайно высоких давлениях и температурах, звезды главной последовательности (звезда в стабильной части своего жизненного цикла) преобразуют материю в свет и тепло, генерируя огромное количество энергии и не производя при этом парниковых газов или долговременных радиоактивных отходов. Но воспроизвести условия, обнаруженные в сердцах звезд, — непростая задача.
Самая распространенная конструкция термоядерных реакторов, — токамак, — работает за счет перегрева плазмы (одного из четырех состояний веществ, состоящего из положительных ионов и отрицательно заряженных свободных электронов) перед тем, как захватить ее внутри камеры реактора в форме пончика с мощными магнитными полями.
Проблема запуска реактора
Однако удержать турбулентные и перегретые спирали плазмы на месте достаточно долго, чтобы произошел ядерный синтез, непросто, — как сообщают западные специалисты.
Советский учёный Натан Явлинский спроектировал первый токамак в 1958 году, но с тех пор никому не удалось создать реактор, который выдавал бы больше энергии, чем потреблял.
Одним из главных камней преткновения является обращение с плазмой, достаточно горячей для плавления.
Термоядерным реакторам требуются очень высокие температуры (во много раз выше, чем на Солнце), ведь необходимо работать при гораздо более низком давлении, чем в ядрах звезд.
