Очікувана революція: комерційний термоядерний синтез
Розвиток цивілізації визначається кількістю енергії, яку вона виробляє і споживає. Зростаюче населення, потреба в продовольстві, комфорті, нові технології і розвиток комунікацій вимагають додаткової енергії і якісно нових способів її отримання. Тому ми шукаємо нові джерела енергії. Нові джерела, у свою чергу, дозволяють нам здійснювати цивілізаційний ривок.
Неолітична революція, яка ознаменувала перехід від примітивних кочових громад збирачів і мисливців до організованої економіки осілого землеробства і тваринництва, ймовірно, була пов'язана з виникненням «технології» відтворення і використання вогню. Відкриття технології використання викопних видів палива дозволило нам здійснити промислову революцію. Надалі потреба в енергії тільки продовжувала зростати.
Розрахунки показують, що для того, щоб не знижувати існуючий рівень розвитку, нам потрібно буде збільшити споживання енергії до середини століття на 40-60%, а до 2100 року - не менше ніж у 2,5 рази. Нам нема звідки взяти цю енергію. І навіть не тому, що джерела будуть вичерпані, а тому, що по-перше, енергоємність викопного палива обмежена, а по-друге, вплив традиційної енергетики на клімат і екосистеми стає смертельно небезпечним для людства.
Говорячи про високоефективні джерела енергії, найчастіше ми звертаємося до найефективнішого з відомих нам явищ - термоядерному синтезу, що відбувається усередині зірок. Ну насправді, якщо всі види енергії, які ми споживаємо, так або інакше є перетвореною сонячною енергією, то чом би нам не спробувати відтворити реакцію, що відбувається у джерелі?
Спроби відтворити реакцію, що відбувається в надрах зірок, послідовно робляться з 1954 року, коли радянські фізики Андрій Сахаров і Ігор Тамм запропонували модифіковану технічну схему термоядерного реактора, де плазма утримувалася б магнітним полем. На цій основі і був побудований реактор за принципом тороїдальної камери з магнітними котушками - Токамак. У цьому реакторі відтворюються умови реакцій в зірках, плазма утримується, розганяється і розігрівається штучним магнітним полем. Теоретично, саме це має стати джерелом енергії майбутнього. У створення і вдосконалення Токамаків у всьому світі вкладаються величезні кошти.
Технологія розвивається: використовуються лазери, надпровідники, мікрохвильові нагрівачі. проте результат доки не очевидний - технологія розвивається вкрай неквапливо, а серйозних наукових проривів в останні 15-20 років в цьому напрямі не спостерігалося.
Втім, дещо змінилося, коли в 2007 дослідник з Массачусетського технологічного інституту Томас Дж. МакГірі опублікував свою дисертацію, присвячену синхронізації інерційних електростатичних пристроїв, а двома роками пізніше - чисельні розрахунки пристроїв по утриманню плазми.
Енергетика - стратегічно важлива область для людства, тому ці роботи не залишилися непоміченими. Вже через п'ять років стало ясно, що наукові результати мають чітку технологічну перспективу.
Перша важлива заява пролунала 7 лютого 2013 року на конференції Google «Solve for X». Там керівник департаменту довгострокових дослідницьких проектів «Skunk Works» компанії Lockheed Martin Чарльз Чейз заявив, що вони близькі до створення дослідного зразка портативного термоядерного реактора. В зв'язку з цим не хочу засмучувати апологетів конспірології, але версія «таємного проекту Пентагону» не цілком відповідає дійсності - інформація поступала, статті і прес-релізи публікувалися, просто не всі звертали на це увагу.
Тоді, в 2013 Чарльз Чейз повідомив, що їх лабораторна установка гарячого термоядерного синтезу утримує плазму (яка у свою чергу розігрівається мікрохвильовим випромінюванням) за рахунок магнітної пастки, що не має «дір» в магнітному полі, і це є серйозним кроком вперед. Цей технічний прийом вигідно відрізняє цей реактор від Токамаків, дозволяючи добитися компактних розмірів (йшлося про пристрій розмірами 2х3 метри) і відносної простоти виготовлення.
Якщо говорити про нові технологічні рішення, то слід відзначити механізм зворотного зв'язку самонастроювання, за рахунок чого магнітне поле збільшується відповідно до проходження плазми, а також використання принципово нової конфігурації магнітного поля, що дозволяє замикати магнітні поля з більшою ефективністю в порівнянні з дизайном Токамак. Система працює з дейтерій – тритієвим паливом, і станом на 2013 рік мала 0,9 ефективності, а це означає, що витрати на розігрівання і утримання плазми майже повністю перекриваються.
І ось, більш ніж через півтора роки після цієї презентації, 15 жовтня 2014, компанія Lockheed Martin Corp офіційно повідомила, що роботи зі створення зразка, працюючого з ефективністю вище за одиницю, який би зміг видати 100МВт потужності знаходяться на завершальному етапі. Протягом року буде побудований і випробуваний перший реактор, через 5 років буде готовий прототип, а не більш ніж через 10 почнеться їхнє серійне виробництво. Це повідомлення, зрозуміло, стало сенсацією.
Природа сенсації зрозуміла. Якщо ця заява відповідає дійсності, то це не просто прорив в технології керованого термоядерного синтезу, не просто революція в комерційній енергетиці, але і заявка на зміну структури ресурсів усієї нашої цивілізації.
До речі, якщо це правда, то слід визнати, що нічого екстраординарного не сталося: рано чи пізно мала бути накопичена критична маса нових ідей і рішень, які дозволили б здійснити ривок. Можливо, це і сталося.
Тому зрозуміло також, що виникають питання, які нам доведеться поставити розробникам, науковому співтовариству і один одному.
Зокрема, з одного боку, в основі цих розробок лежать цілком добротні теоретичні роботи американських і бельгійських фізиків, опубліковані в 2007-2014, тому серйозних сумнівів в науковій обґрунтованості і компетентності заява не викликає. З'являються питання технологічної здійсненності деяких рішень, які багато років залишаються проблемними в традиційних моделях реакторів. Цілий ряд важливих подробиць вимагає уточнення для оцінки здійсненності заявленого проекту. Мене, наприклад, представлена технічна інформація доки не занадто переконує. В іншому випадку може повторитися історія «холодного синтезу».
Якщо ж заява обґрунтована, а претензії здійснені, то науковому співтовариству слід абсолютно чітко сформулювати цілі, на які витрачаються чималі кошти, що виділяються на розвиток Токамаків.
Крім того, хотілося б привернути увагу до ще одного аспекту проблеми енергозабезпечення з використанням компактних реакторів. Це проблема безпеки. Річ у тому, що саме по собі джерело енергії не має великого сенсу поза енергетичною системою - складним взаємозв'язаним комплексом, що включає споживачів різного рівня, системи транспортування, розподілу енергії, системи контролю і управління, генеруючи потужності. Кількість джерел і, відповідно, щільність розподільних мереж залежить і від потужності джерел. При малій потужності нам знадобиться багато джерел, тобто щільність мереж підвищиться, а навантаження на системи контролю і управління зросте. Це неминуче приведе до підвищення вразливості енергетичної системи, до підвищення вірогідності відмови, до зростання ризиків.
Зрозуміло, надійність атомної енергетики досить висока. Сподіватимемося, що і індивідуальна надійність термоядерних реакторів буде як мінімум не гірше. Але який сенс в підвищенні надійності окремого елементу, якщо знижується надійність усієї системи? Чи хочемо ми поставити у себе на дворі надійний реактор - елемент вразливої системи - ось в чому питання, на яке поки що немає відповіді.
Будь-яка революційна зміна ставить перед суспільством питання, від відповіді на які залежить подальший розвиток, а іноді і виживання. Тому на кожне питання нам доведеться дати відповідь. Тому що в нас немає виходу: наш розвиток залежить від наявності якісно нових джерел енергії. Сподіватимемося, що вони нарешті стають доступними.
