Когда в марте 1776 года на угольной шахте Блумфилд в Типтоне, графство Уэст-Мидлендс, был установлен первый промышленный паровой двигатель Джеймса Уатта, его приветствовали как чудо механики, пишет The Observer. Однако мало кто мог предположить, что паровые двигатели изменят мир.
Изначально разработанная для откачки воды из шахт, эта технология была адаптирована для такого количества отраслей и применений, что вызвала промышленную революцию. Сейчас, по словам тех, кто работает над созданием термоядерных электростанций, человечество находится на пороге аналогичных преобразований. “Я рассматриваю все это начинание как технологию общего назначения в том же духе, что и Уатт”, – говорит Лу-Фонг Чуа, директор по стратегии TAE Power Solutions в Бирмингеме.
Термоядерный синтез – это механизм получения энергии, который заставляет звезды сиять, разъясняет The Observer. Распространено мнение, что до термоядерного синтеза, созданного человеком на Земле, всегда остается “30 лет”. Но если мы сможем заставить его работать, это обещает такое количество чистой энергии, что мы наконец сможем отказаться от ископаемого топлива, отмечает издание.
Крупные государственные проекты и все чаще частные стартапы сообщают о прорывах, которые, по мнению многих представителей отрасли, приведут к созданию жизнеспособной термоядерной энергетики. В 2022 году правительство Великобритании объявило о строительстве сферического токамака для производства энергии (STEP) в Уэст-Бертоне, что в графстве Ноттингемшир. Цель этой демонстрационной установки – обеспечить электроэнергией национальную энергосистему к 2040-м годам. И при разработке таких термоядерных электростанций мы создаем новые технологии и решения, которые могут выйти далеко за рамки задачи выработки энергии.
Например, пишет The Observer, компания TAE Power Solutions является дочерним предприятием американской компании TAE Technologies, которая была основана в 1998 году для разработки коммерческой термоядерной энергетики. Вынужденная изобрести способ сбора и хранения энергии мощностью 750 мегаватт (энергии, необходимой для запуска их экспериментального реактора) из коммерческой электросети, способной выдавать всего 2 мегаватта, фирма в настоящее время адаптирует свои достижения для создания более эффективных аккумуляторов для следующего поколения электромобилей.
“Мы рассматриваем это не как побочные проекты, а как полезные побочные продукты, которые сами по себе имеют очень высокую ценность для решения проблем, выходящих за рамки производства энергии”, – говорит Чуа.
В Великобритании Управление по атомной энергии (UKAEA) создало термоядерный кластер в Калхэме в Оксфордшире, чтобы стимулировать рост термоядерной промышленности. С момента своего создания в 2021 году кластер вырос с нескольких компаний до более чем 200, отмечает The Observer. Хотя ключевой целью остается развитие навыков и технологий, необходимых для строительства коммерческой термоядерной электростанции в Великобритании к 2040-м годам, коммерциализация побочных продуктов также является приоритетной задачей.
“Одна из задач термоядерного кластера заключается в том, чтобы показать людям, что термоядерный синтез не только приближается, но и приносит пользу еще за годы до того, как у нас появятся первые термоядерные электростанции, потому что у нас появляются новые технологии”, – рассказывает Валери Джеймисон, менеджер по развитию центра.
Этот сигнал стимулирует инвестиции, как понял Грег Пайфер, основатель и генеральный директор Shine Technologies, в начале 2000-х годов, когда он увидел, что разработка коммерческой термоядерной энергетики будет долгим и дорогостоящим процессом. Это навело его на мысль о том, как разрабатываемые технологии можно было бы использовать для получения прибыли, чтобы инвесторы могли получать более быструю отдачу от своих вложений. “Это чрезвычайно важно для коммерциализации термоядерного синтеза”, – говорит он.
В настоящее время существуют четыре ключевые области, в которых технология термоядерного синтеза играет ключевую роль.
1) Продвижение
Одна из кажущихся невозможными задач, которую должен выполнять термоядерный реактор, – это поддерживать температуру газа около 1000 градусов Цельсия, достаточную для расплавления любого материала. При такой температуре газ становится электрически заряженным, и поэтому им можно управлять с помощью магнитных полей.
Сила магнитного поля определяет размер реактора и, следовательно, экономичность его строительства. Итак, создание высокоэффективных магнитов было основной целью компании Tokamak Energy, входящей в состав термоядерного кластера и штаб-квартиры которой находится в Милтон-Парке в Оксфордшире. В 2023 году они объявили о создании нового поколения высокотемпературных сверхпроводящих магнитов, которые создают стабильные магнитные поля, в 10 или даже в 20 раз более мощные, чем существующие технологии. Такие магниты не только открывают путь к созданию жизнеспособных термоядерных установок, но и “могут трансформировать существующие рынки и создавать новые”, – говорит Уоррик Мэтьюз, генеральный директор компании.
Одной из таких областей является создание магнитогидродинамических (МГД) приводов. Известные теоретикам с 1950-х годов, МГД-приводы используют магнитные поля для создания струй электрически заряженной жидкости, которые приводят в движение транспортное средство. Прелесть в том, пишет The Observer, что у них нет движущихся частей, поэтому они не подвержены износу.
Применение в судостроении особенно привлекательно, поскольку морская вода проводит электричество намного лучше, чем пресноводная. Поскольку двигатели бесшумны, они значительно снижают уровень вредного шумового загрязнения морской среды. В 1990-х годах Mitsubishi построила первый в мире прототип МГД-корабля Yamato 1, но программа была свернута, когда его максимальная скорость составила всего 15 км/ч (чуть более 8 узлов).
Магниты Tokamak Energy, создающие гораздо более мощные магнитные поля и, следовательно, большую тягу, должны изменить ситуацию. В настоящее время компания сотрудничает с Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (Darpa), чтобы продемонстрировать концепцию на примере демонстрационного устройства.
2) Применение в медицине
Существует несколько возможных реакций, которые термоядерная установка может использовать для получения энергии. В 1998 году компания TAE решила продолжить синтез атомов бора с протонами, что открыло глаза на старую исследовательскую программу по лечению рака. Пионеры атомной науки в 1930-х годах показали, что бор обладает высокой способностью вступать в реакцию с нейтронными частицами, расщепляясь на литий и гелий. В 1936 году Гордон Лочер из Института Франклина в Пенсильвании указал на потенциал этой реакции для уничтожения раковых клеток. При отдаче литий и гелий выделяют свою энергию в диапазоне примерно 5-9 микрометров, что соответствует размеру типичной раковой клетки. Этот внезапный выброс энергии разрушает клетку.
Хотя бор можно было вводить пациенту с лекарствами, найти подходящий источник нейтронов в середине прошлого века было большой проблемой. Исторически сложилось так, что пациента приходилось помещать в ядерный реактор и подвергать воздействию нейтронов из его активной зоны. Вряд ли это идеальный вариант. Теперь проблема практически решена. Ключевым новшеством термоядерной программы TAE стало создание компактных ускорителей элементарных частиц, которые могут быть использованы для генерации плотно сфокусированных пучков нейтронов. При термоядерном синтезе они используются в качестве топлива для реакторов.
“Мы можем использовать эти лучи и перенастроить их для медицинских целей”, – говорит Роб Хилл, генеральный директор TAE Life Sciences.
В настоящее время компания ведет переговоры с университетскими клиниками Бирмингема и Университетского колледжа Лондона об установке экспериментального оборудования. Тем временем Shine Technologies производит лютеций-177, полезный в медицине изотоп, на своих предприятиях в Джейнсвилле, штат Висконсин, и Веендаме, Нидерланды.
Лютеций также используется для борьбы с раком, его также используют в качестве лекарственного средства, которое связывается с раковыми клетками. В отличие от бора, для его активации не нужны нейтроны. Вместо этого он радиоактивен и распадается с периодом полураспада около шести с половиной дней, испуская электрон высокой энергии, который разрывает раковую клетку на части. Он также излучает гамма-излучение, что открывает возможности для создания медицинского устройства визуализации, которое может отслеживать прогрессирование рака и эффективность лечения.
Однако столь короткий период полураспада означает, что этот изотоп не существует в природе и поэтому должен быть создан с использованием технологии термоядерного синтеза.
3) Промышленная визуализация
Одним из методов термоядерного синтеза является использование лазеров для сжатия и нагрева гранулы водородного топлива. Исследуя лазеры, необходимые для этого, в начале 2000-х годов в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии, физик Маркус Рот и его коллеги обнаружили, что если они заменят мишень на тонкую фольгу из материала, то смогут разогнать частицы, вылетающие из фольги, до огромных скоростей.
В 2021 году была основана компания Focused Energy в Дармштадте, Германия, для разработки лазерной системы, способной ускорять нейтронный пучок в 100 раз интенсивнее, чем существующие технологии. Нейтроны можно использовать как рентгеновские лучи для получения изображений, но они обладают большей проникающей способностью, что означает, что они могут проникать внутрь более плотных материалов, и в настоящее время ведутся переговоры с инженерными фирмами о внедрении системы для проверки стали внутри бетонных зданий и мостов на наличие признаков коррозии. С помощью этого же метода можно также получать частицы, называемые мюонами, что открывает возможности для еще более масштабных проектов по получению изображений.
Мюоны образуются естественным образом, когда солнечные частицы сталкиваются с атомами в верхних слоях атмосферы Земли. Они обладают огромной проникающей способностью и были использованы после аварии на АЭС "Фукусима" в 2011 году для определения местонахождения расплавленной активной зоны реактора. Аналогичный набор детекторов обнаружил ранее скрытую камеру в 2017 году в великой пирамиде Египта в Гизе. Геологи использовали мюоны для изучения движения магмы в вулканах перед извержениями.
Недостатком является то, что количество встречающихся в природе мюонов относительно невелико. Поднесите руку к солнцу, и через вашу ладонь будет проходить всего один мюон в секунду. В результате на получение изображения активной зоны АЭС "Фукусима" ушло пять месяцев.
Лазерный метод Рота может увеличить количество мюонов в 10 000 раз, что значительно ускорит процесс получения изображений, хотя разработка систем, достаточно больших для изучения вулканов, в настоящее время является делом будущего.
4) Обращение с ядерными отходами
В настоящее время крупнейшим дополнительным проектом для Focused Energy является контракт с правительством Германии на создание первого источника нейтронов с лазерным приводом для исследования контейнеров с ядерными отходами.
После закрытия своих последних оставшихся атомных электростанций в 2023 году Германия теперь должна иметь дело с отходами, которые накапливались десятилетиями. Система визуализации Focused Energy определит содержимое контейнеров и состояние отходов, чтобы их можно было безопасно и в конечном итоге сохранить.
По ту сторону Атлантики компания Shine планирует сделать еще один шаг вперед. Вместо использования нейтронов для визуализации отходов, если сделать нейтронный луч более интенсивным, он может преобразовать отходы в менее вредные вещества. Например, традиционные ядерные реакторы расщепляют уран-235 или плутоний-239 для получения энергии. Отходами являются йод-129, период полураспада которого составляет более 15 миллионов лет. Однако, если бы его можно было подвергнуть бомбардировке высокоинтенсивным нейтронным пучком, он превратился бы в йод-128, период полураспада которого составляет всего 25 минут.
“Вы можете избавиться от этой проблемы, которой 10 миллионов лет, за один день”, – говорит Пайфер.
Оказывается, что нейтроны, необходимые для этого, будут в изобилии производиться на многих термоядерных электростанциях. Таким образом, реакторы будущего не только решат мировые энергетические проблемы, но и могут быть использованы для ликвидации грязного наследия первых ядерных реакторов. “Я верю, что термоядерная энергетика, в конечном счете, изменит игру, подобно паровому двигателю, – говорит Рот. – Мы сможем сделать в нашем обществе многое из того, что раньше было невозможно, и это начнется с устранения многих последствий промышленной революции”.
