Ожидаемая революция: коммерческий термоядерный синтез
Развитие цивилизации определяется количеством энергии, которое она производит и потребляет. Растущее население, потребности в продовольствии, комфорте, новые технологии и развитие коммуникаций требуют дополнительной энергии и качественно новых способов ее получения. Поэтому мы ищем новые источники энергии. Новые источники, в свою очередь, позволяют нам совершить цивилизационный рывок.
Неолитическая революция, которая ознаменовала переход от примитивных кочевых общин собирателей и охотников к организованной экономике оседлого земледелия и животноводства, вероятно, была связана с возникновением «технологии» воспроизводства и использования огня. Открытие технологии использования ископаемых видов топлива позволило нам совершить промышленную революцию. В дальнейшем потребность в энергии только продолжала возрастать.
Расчеты показывают, что для того, чтобы не снижать существующий уровень развития, нам потребуется увеличить потребление энергии к середине столетия на 40-60%, а к 2100 году – не менее чем в 2,5 раза. Нам неоткуда взять эту энергию. И даже не потому, что источники будут исчерпаны, а потому, что во-первых, энергоэффективность ископаемого топлива ограничена, а во-вторых, воздействие традиционной энергетики на климат и экосистемы становится смертельно опасным для человечества.
Говоря о высокоэффективных источниках энергии, чаще всего мы обращаемся к самому эффективному из известных нам явлений – термоядерному синтезу, происходящему внутри звезд. Ну в самом деле, если все виды энергии, которые мы потребляем, так или иначе являются преобразованной солнечной энергией, то почему бы нам не попробовать воспроизвести реакцию, происходящую в источнике?
Попытки воспроизвести реакцию, происходящую в недрах звезд, последовательно предпринимаются с 1954 года, когда советские физики Андрей Сахаров и Игорь Тамм предложили модифицированную техническую схему термоядерного реактора, где плазма удерживалась бы магнитным полем. На этой основе и был построен реактор по принципу тороидальной камеры с магнитными катушками – Токамак. В этом реакторе воссоздаются условия реакций в звездах, плазма удерживается, разгоняется и разогревается искусственным магнитным полем. Теоретически, именно это должно стать источником энергии будущего. В создание и усовершенствование Токамаков во всем мире вкладываются огромные средства. Технология развивается: используются лазеры, сверхпроводники, микроволновые нагреватели. однако результат пока не очевиден – технология развивается крайне неторопливо, а серьезных научных прорывов в последние 15-20 лет в этом направлении не наблюдалось.
Впрочем, кое-что изменилось, когда в 2007 исследователь из Массачусетского технологического института Томас Дж. МакГири опубликовал свою диссертацию, посвященную синхронизации инерционных электростатических устройств, а двумя годами позже численные расчеты устройств по удержанию плазмы.
Энергетика – стратегически важная область для человечества, поэтому эти работы не остались незамеченными. Уже через пять лет стало ясно, что научные результаты имеют четкую технологическую перспективу.
Первое важное заявление прозвучало 7 февраля 2013 года на конференции Google «Solve for X». Там руководитель департамента долгосрочных исследовательских проектов «Skunk Works» компании Локхид-Мартин Чарльз Чейз заявил, что они близки к созданию опытного образца портативного термоядерного реактора. В этой связи не хочу огорчать апологетов конспирологии, но версия «тайного проекта Пентагона» не вполне соответствует действительности – информация поступала, статьи и пресс-релизы публиковались, просто не все обращали на это внимание.
Тогда, в 2013 Чарльз Чейз сообщил, что их лабораторная установка горячего термоядерного синтеза удерживает плазму (которая в свою очередь разогревается микроволновым излучением) за счет магнитной ловушки, не имеющей «дыр» в магнитном поле, что является серьезным шагом вперед. Данный технический прием выгодно отличает этот реактор от Токамаков, позволяя добиться компактных размеров (речь шла об устройстве размерами 2х3 метра) и относительной простоты изготовления.
Если говорить о новых технологических решениях, то следует отметить механизм обратной связи самонастройки, в результате чего магнитное поле увеличивается по мере прохождения плазмы, а также использование принципиально новой конфигурации магнитного поля, что позволяет замыкать магнитные поля с большей эффективностью по сравнению с дизайном Токамак. Система работает с дейтерий-тритиевым топливом, и по состоянию на 2013 год имела 0,9 эффективности, а это значит, что затраты на разогрев и удержание плазмы почти полностью перекрываются.
И вот, более чем через полтора года после этой презентации, 15 октября 2014, компания Lockheed Martin Corp официально сообщила, что работы по созданию образца, работающего с эффективностью выше единицы, который бы смог выдать 100МВт мощности находятся на завершающем этапе. В течении года будет построен и испытан первый реактор, через 5 лет будет готов прототип, а не более чем через 10 начнется их серийное производство. Это сообщение, разумеется, стало сенсацией.
Природа сенсации понятна. Если это заявление соответствует действительности, то это не просто прорыв в технологии управляемого термоядерного синтеза, не просто революция в коммерческой энергетике, но и заявка на изменение структуры ресурсов всей нашей цивилизации.
Кстати, если это правда, то следует признать, что ничего экстраординарного не произошло: рано или поздно должна была быть накоплена критическая масса новых идей и решений, которые позволили бы совершить рывок. Возможно, это и случилось.
Поэтому понятно также, что возникают вопросы, которые нам придется задать разработчикам, научному сообществу и друг другу.
С одной стороны, в основе этих разработок лежат вполне добротные теоретические работы американских и бельгийских физиков, опубликованные в 2007-2014, поэтому серьезных сомнений в научной обоснованности и компетентности заявление не вызывает. Появляются вопросы технологической осуществимости некоторых решений, которые многие годы остаются проблемными в традиционных моделях реакторов. Целый ряд важных подробностей требует уточнения для оценки осуществимости заявленного проекта. Меня, например, представленная техническая информация пока не слишком убеждает. В противном случае может повториться история «холодного синтеза».
Если же заявление обоснованно, а претензии осуществимы, то научному сообществу следует предельно четко сформулировать цели, на которые тратятся немалые средства, расходуемые на развитие Токамаков.
Кроме того, хотелось бы привлечь внимание к еще одному аспекту проблемы энергообеспечения с использованием компактных реакторов. Это проблема безопасности. Дело в том, что сам по себе источник энергии не имеет большого смысла вне энергетической системы – сложного взаимосвязанного комплекса, включающего потребителей разного уровня, системы транспортировки, распределения энергии, системы контроля и управления, генерирующие мощности. Количество источников и, соответственно, плотность распределительных сетей, зависит и от мощности источников. При малой мощности нам потребуется много источников, значит плотность сетей повысится, а нагрузка на системы контроля и управления возрастет. Это неминуемо приведет к повышению уязвимости энергетической системы, к повышению вероятности отказа, к возрастанию рисков.
Разумеется, надежность атомной энергетики достаточно высока. Будем надеяться, что и индивидуальная надежность термоядерных реакторов будет как минимум не хуже. Но какой смысл в повышении надежности отдельного элемента, если снижается надежность всей системы? Хотим ли мы поставить у себя во дворе надежный реактор – элемент уязвимой системы – вот в чем вопрос, на который пока нет ответа.
Всякое революционное изменение ставит перед обществом вопросы, от ответа на которые зависит дальнейшее развитие, а иногда и выживание. Поэтому на каждый вопрос нам придется дать ответ. Потому что у нас нет выхода: наше развитие зависит от наличия качественно новых источников энергии. Будем надеяться, что они наконец становятся доступными.
