Под искусственным солнцем

Под искусственным солнцем

Почему растут вложения в термоядерную энергетику

Власти развитых стран вновь обратили внимание на термоядерные технологии, необходимые для создания практически безграничного зеленого источника электроэнергии. За прошлый год объем вложений только в частную термоядерную индустрию вырос на $1,4 млрд, до $6,21 млрд. В РФ затраты на прототип первого опытно-промышленного термоядерного реактора оцениваются в более 130 млрд руб. “Ъ” разбирался в перспективах инвестиций в технологию.

Фото: Leon Neal / Getty Images

Энергетический кризис, с которым мир столкнулся два года назад, заставил власти развитых стран вернуться к идее создания «бесконечного» источника энергии — термоядерного реактора. В 2023 году Германия, Япония, Великобритания и ряд других стран запустили новые программы поддержки отрасли термоядерных технологий. А власти США утвердили на 2024 год рекордный объем финансирования в размере $1,5 млрд.

В Fusion Industry Association (FIA) считают, что в отрасли термоядерных разработок происходит «технологический взрыв». Количество термоядерных стартапов за год выросло на треть, до 43 штук, более половины расположены в США, говорится в отчете FIA. Объем вложений в частную термоядерную индустрию за 2023 год увеличился на $1,4 млрд, до $6,21 млрд. Среди инвесторов — Eni, Chevron, Equinor и Mitsubishi, Билл Гейтс, Джефф Безос и Джон Доер. Инвестиции в стартапы со стороны государств удвоились до $271 млн.

Между лазером и токамаком

Термоядерный синтез — это слияние двух легких атомных ядер, в результате чего выделяется огромное количество энергии. Ученые, как правило, объединяют два атома водорода — дейтерий и тритий. Такая реакция протекает в звездах, но в земных условиях запустить и удержать ее крайне сложно. Для синтеза нужно разогреть ядра до чрезвычайно высоких температур (свыше 100 млн градусов) в ограниченном пространстве. Ученые за более чем 80 лет исследований научились создавать высокотемпературную плазму в лабораторных условиях, но удержать ее удается лишь на срок менее одной минуты.

Сейчас в 26 странах, по данным МАГАТЭ, существуют 99 работающих термоядерных экспериментальных установок, большая часть из которых в Японии, США, России и Китае. Наиболее известные и успешные действующие аппараты — KSTAR в Южной Корее, EAST в Китае, JT-60U в Японии. Строятся 13 установок, еще 33 — планируются. Большинство термоядерных аппаратов принадлежит государствам. Но в мире работает 9 частных установок, еще 4 — строятся, а 14 — на стадии планирования.

В мире конкурируют два типа конструкций: токамаки и стеллараторы с большими магнитами для удержания горячей плазмы и установки с использованием мощных лазеров для нагрева топлива. Сейчас львиная доля работающих установок в мире — токамаки. Лазерные установки активно развивают США и Япония. В России, как говорят источники “Ъ”, делают ставку на развитие токамака как модели «наиболее успешной и подходящей для энергетических задач».

Половина частных компаний, опрошенных FIA, рассчитывают начать производство термоядерных киловатт-часов в середине 2030-х годов. Но пока в такие оптимистичные прогнозы верится с трудом. До сих пор за все время испытаний ни на одной установке в мире не удалось достичь показателей, необходимых для перехода к строительству демонстрационных реакторов с выдачей электроэнергии в сеть. В частности, ученые по-прежнему тратят на разогрев плазмы больше энергии, чем получают в результате слияния ядер.

Постоянно откладывается и запуск самого крупного и известного в мире экспериментального токамака ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Строительство объекта на юге Франции началось в 2010 году, сборка деталей — в 2020 году. Недавно в ITER признали, что запуск не произойдет в 2025 году, как планировалось, а бюджет придется пересматривать. Исходно предполагалось, что ITER будет стоить около $5 млрд, но бюджет уже превысил $22 млрд.

Члены ITER — Россия, Китай, США, Южная Корея, Индия, Япония и ЕС (через Euratom, регулятора атомной отрасли в ЕС). ЕС несет большую часть затрат на стройку (45,6%), а остальные участники — по 9,1%, но взносы в проект происходят в основном за счет производства деталей. Власти Великобритании, чье членство в Euratom завершилось после выхода из ЕС, думают покинуть проект, чтобы потратить свой взнос в размере $749 млн на конкурирующий прототип токамака, писал Bloomberg. Очевидно, британские власти потеряли веру в успешность этого долгостроя, полагают опрошенные “Ъ” эксперты.

Россия возвращается в гонку

Самые громкие и яркие научные термоядерные открытия в России происходили во времена Советского Союза. После развала СССР отрасль переживала трудные времена, поскольку остановилось финансирование исследований. По данным МАГАТЭ, сейчас в РФ работают шесть токамаков. Установки расположены в Курчатовском институте, в Троицком институте инновационных и термоядерных исследований, санкт-петербургском Физико-техническом институте имени Иоффе, Санкт-Петербургском госуниверситете. Еще три экспериментальные магнитные ловушки находятся в Институте ядерной физики имени Будкера СО РАН.

Самая современная установка — токамак Курчатовского института Т-15МД, запущенный весной 2021 года. Одновременно стартовала реализация федерального проекта по развитию термоядерного синтеза в рамках комплексной программы «Развитие техники и технологии научных исследований в области атомной энергии». Со старта программы в 2021 году по 2023 год из бюджета на развитие проекта выдано около 78 млрд руб. субсидий, собственных средств «Росатома» вложено около 300 млрд руб., сообщили “Ъ” в госкорпорации. Там обсуждают с правительством экономические параметры продолжения проекта до 2030 года.

Продолжение финансирования необходимо в том числе для строительства токамака с реакторными технологиями (ТРТ) в Троицке. ТРТ станет прототипом первого российского опытно-промышленного термоядерного реактора. Плазма в ТРТ сможет разогреваться до 150 млн градусов, говорят в «Росатоме». Стоимость проекта, по данным “Ъ”, может превысить 130 млрд руб.

Неопределенные промышленные перспективы

Причина медленного развития термоядерных технологий — слабое финансирование отрасли, утверждают опрошенные “Ъ” эксперты. Директор аналитического направления центра «Энерджинет» Игорь Чаусов указывает, что за 2023 год в разные сферы низкоуглеродной энергетики — от ВИЭ до электротранспорта — в мире вложено почти $1,8 трлн. На инвестиции в частную индустрию термоядерных технологий приходится менее 1% от этой суммы, этого недостаточно для новой сферы на стадии исследований и экспериментов, подчеркивает эксперт.

Пока аналитики и государства не рассматривают термоядерные реакторы как возможный реальный источник энергии в ближайшем будущем, в том числе из-за невозможности оценить экономическую эффективность такой установки. В ближайшие четверть века человечество будет использовать уже отработанные технологии. По прогнозу «Яков и партнеры», к 2050 году мощность ветряных и солнечных станций вырастет почти втрое, а доля ископаемых источников все еще будет превышать 50%. На первый план выйдут вопрос интеграции источников энергии в общую электросеть, а также развитие технологий хранения энергии и повышение энергоэффективности.

Термоядерная энергетика остается «научно-исследовательским направлением с неопределенными промышленными перспективами», считает Сергей Роженко из Kept. По его мнению, технология имеет «существенно более неопределенные» коммерческие перспективы, чем даже водородная энергетика: «Термоядерная энергетика может повторить судьбу ряда других энергетических технологий, так и не вышедших из лабораторий. Объем инвестиций в отрасль тому подтверждение: $6 млрд — это стоимость дорогой лаборатории, но даже близко не промышленной установки». Так, уточняет господин Роженко, общий объем вложений в частный сектор термоядерных технологий — это примерно четверть стоимости строительства АЭС в Египте (4,8 ГВт) на отработанной технологии ВВЭР-1200.

Драйвер развития

Несмотря на активное участие в термоядерных исследованиях, энергетика России, по мнению, собеседников “Ъ”, еще долго не будет нуждаться в принципиально новых источниках электроэнергии. Партнер «Яков и партнеры» Антон Порядин считает, что структура энергобаланса РФ в ближайшем будущем сильно не изменится. По его прогнозам, доля природных ископаемых может снизиться с 85% до 75%, атомной генерации — вырасти за счет станций малой мощности, а солнечная и ветряная энергетика будут развиваться в удаленных регионах с благоприятным климатом. Газ надолго останется основным источником энергии, добавляет эксперт.

Единственная необходимость развития термоядерной энергетики в России — поддержка этой области науки, полагает Игорь Чаусов. РФ обладает немалым заделом по многим критически важным для термоядерной энергетики технологиям, в том числе сверхпроводникам и новым материалам, сложным приборам и датчикам, что позволяет рассматривать термоядерную энергетику как сферу, в которой Россия может претендовать на технологическое лидерство в конце XXI—начале XXII века.

Концепция использования «бесконечной и бесплатной» энергии термоядерного синтеза выглядит привлекательно, говорит Сергей Роженко. Однако есть вероятность, что человечество никогда не сможет решить проблемы термоядерных технологий, одна из которых состоит в отсутствии материалов, способных удерживать высокотемпературную плазму и выдерживать длительную бомбардировку нейтронами. Без принципиального прорыва в физике, по его мнению, вряд ли стоит надеяться на запуск термоядерного реактора.

Игорь Чаусов считает, что ожидать появления энергетических термоядерных реакторов в оптимистичном сценарии можно в 2070–2080 годах. Однако вложения в управляемый термоядерный синтез оправданы даже при том, что это технология не формирующегося сейчас, а следующего технологического уклада, уточняет он.

Термоядерная энергетика, подчеркивает эксперт, призвана на очень долгий срок избавить человечество от самой возможности дефицита энергии. Кроме того, в силу чрезвычайной инженерной сложности управляемый термоядерный синтез — драйвер развития других технологий, связанных со сверхпроводниками, мощными магнитами, термостойкими и криогенными материалами, высокими токами и напряжениями, перечисляет он. Наконец, отмечает господин Чаусов, термоядерный синтез нужен для прорыва в освоении космоса.