Не волнуйтесь. Всегда приятно видеть постепенный прогресс в различных экспериментах по термоядерному синтезу, проводимых по всему миру, но мы все еще далеки от коммерческой термоядерной энергетики, и этот эксперимент на самом деле не приближает нас ни на шаг, несмотря на заголовки в газетах. Прежде чем я перейду к “математике”, приведу краткую справочную информацию.
Термоядерный синтез – это процесс объединения легких элементов в более тяжелые. Именно этот процесс является топливом для звезд. Мы мечтали о будущем, основанном на чистой термоядерной энергии, по крайней мере, 80 лет. Проблема в том, что это действительно сложно. Чтобы заставить атомы сталкиваться друг с другом с достаточной энергией для слияния, нужны высокие температуры и давление, подобные тем, которые наблюдаются в ядре нашего Солнца. Мы не можем воспроизвести плотность и давление в ядре звезды, поэтому нам приходится компенсировать это здесь, на Земле, еще более высокими температурами.
Существует несколько базовых конструкций термоядерных реакторов. Конструкция токамака (как и реактивного реактора) представляет собой тор, внутри которого плазма из изотопов водорода (обычно дейтерия и трития) удерживается мощными магнитными полями. Плазма нагревается и сжимается с помощью грубой магнитной силы до тех пор, пока не произойдет термоядерный синтез. Другой метод, пинч-метод, также использует магнитные поля, но в нем используется поток плазмы, который сжимается в одной точке до высокой плотности и температуры. Существует кинетический метод удержания, который, по сути, использует взрыв, создаваемый мощными лазерами, для создания краткого момента высокой плотности и температуры. Совсем недавно группа ученых использовала звуковую кавитацию для создания термоядерного синтеза (а не длительного термоядерного синтеза). Эти методы, по сути, являются соревнованиями по созданию коммерческого термоядерного синтеза. Это захватывающая (хотя и очень замедленная) гонка.
По сути, есть три критерия, на которые следует обратить внимание. Первый – это термоядерный синтез – обеспечивает ли установка какой-либо измеримый термоядерный синтез. Вы можете подумать, что это конечная веха, но это не так. Помните, что целью коммерческого термоядерного синтеза является получение чистой энергии. Термоядерный синтез вырабатывает энергию за счет тепла, которое затем может быть использовано для запуска конвенционной турбины. Так что простое достижение термоядерного синтеза, хотя и очень приятное, даже близко не подходит к тому, к чему мы стремимся. Если вы вкладываете в процесс в тысячи раз больше энергии, чем обычно, это не коммерческая электростанция. Следующим порогом является “воспламенение”, или устойчивый термоядерный синтез, при котором тепловой энергии, выделяемой при термоядерном синтезе, достаточно для поддержания процесса термоядерного синтеза. (Это не относится к кавитационному методу, который даже не пытается поддерживать термоядерный синтез.) Недавно пара лабораторий достигла этого рубежа.
Но подождите, это еще не все. Несмотря на то, что они обеспечивали воспламенение и (как широко сообщалось) производили чистую термоядерную энергию, они все еще далеки от коммерческой установки. При термоядерном синтезе вырабатывалось больше энергии, чем при самом термоядерном синтезе. Но весь этот процесс по-прежнему потребляет примерно в 100 раз больше энергии, чем общая выработка. Таким образом, мы приблизились всего на 1% к конечной цели – увеличению общего объема чистой энергии. Если представить это таким образом, то кажется, что мы совсем не приблизились к цели. Нам нужны лазеры или мощные магниты, которые более чем в 100 раз эффективнее тех, что мы используем сейчас, или весь метод должен быть на порядок или два эффективнее. Это непростая задача. Вполне возможно, что мы просто не сможем этого сделать с помощью существующих материалов и технологий. Возможно, термоядерной энергетике придется подождать появления какой-нибудь неизвестной технологии в будущем.
Тем временем мы узнаем очень много о плазме и о том, как создавать термоядерный синтез и управлять им. Все хорошо. Просто это не прямой путь к коммерческому термоядерному синтезу. Дело не только в “расширении масштабов”. Нам нужно внести некоторые фундаментальные изменения во весь процесс.
Итак, какой рекорд побил эксперимент по термоядерному синтезу JET? Используя конструкцию токамака-тора, ограниченного магнитными полями, они смогли создать термоядерный синтез и выработать “69 мегаджоулей термоядерной энергии за пять секунд”. Хотя Би-би-си сообщает, что это дало “69 мегаджоулей энергии за пять секунд”. Это не такая уж большая разница. Была ли скорость 69 мегаджоулей в секунду в течение пяти секунд или 13,8 мегаджоулей в секунду в течение пяти секунд, итого 69 мегаджоулей? Более конкретно – какой процент потребляемой энергии это составляло. Я не смог найти никого, кто бы сообщал об этом (и ChatGPT не знал). Но я нашел вот что: “В общей сложности, когда JET работает, он потребляет 700-800 МВт электроэнергии”. Джоуль – это один ватт энергии в течение одной секунды.
Легко перепутать мощность и энергетические единицы, и я стараюсь не делать этого здесь, но неточные отчеты не помогут. Ватты – это показатель мощности. Ватты во времени являются мерой энергии, поэтому ватт-секунда или ватт-час – это единица энергии. Отсюда:
1 Джоуль (Дж) – это единица энергии MKS, равная силе в один Ньютон, действующей через один метр.
1 Ватт – это мощность, равная одному джоулю энергии в секунду
Поэтому, поскольку джоули являются мерой энергии, более логично предположить, что это общее количество энергии, вырабатываемое за 5 секунд (таким образом, Би-би-си была более точной). Таким образом, 700 МВт мощности за 5 секунд – это 3500 мегаджоулей потребляемой энергии по сравнению с 69 мегаджоулями выходной. Это составляет 1,97%, что близко к показателям лучших термоядерных реакторов, так что, думаю, я все правильно понял. Однако это только с учетом энергии, необходимой для работы реактора в течение 5 секунд, в течение которых происходил термоядерный синтез. А как насчет энергии, необходимой для запуска процесса и всего остального?
Это не похоже на работающую термоядерную электростанцию. В некоторых сообщениях говорится, что ученые надеются удвоить эффективность с помощью более совершенных сверхпроводящих магнитов. Это было бы неплохо, но до удвоения еще далеко. Нам нужно, по крайней мере, два порядка, чтобы выйти на безубыточность. Нам, вероятно, потребуется около трех порядков энергии, чтобы все это стоило того, от колыбели до могилы. Помните, что мы также должны производить весь этот тритий. Кроме того, существует неэффективность преобразования избыточной тепловой энергии в электрическую. Это может быть на порядок больше.
Я не против термоядерного синтеза. Я думаю, нам следует продолжить исследования в этой области. Как только мы сможем генерировать чистую энергию с помощью термоядерных реакторов, это, вероятно, навсегда станет нашим лучшим источником энергии – по крайней мере, в обозримом будущем. Потребуются сверхразвитые технологии, чтобы превзойти их. Так что стоит провести исследование. Но, если быть реалистом, я думаю, что мы смотрим на энергетику 22-го века и, возможно, на конец этого века. А не на 2040-е годы, как предсказывают некоторые оптимисты. Я надеюсь, что на этот раз я окажусь неправ. Но в любом случае преждевременная шумиха, скорее всего, будет контрпродуктивной. Это долгосрочный проект исследований и разработок. Возможно, никто из ныне живущих не увидит работающую термоядерную установку.
По крайней мере, я думаю, что это верно в отношении существующих концепций термоядерных реакторов. Исключением является кавитационный метод, который даже не пытается поддерживать термоядерный синтез. Они просто ищут сочетание отдельных процессов термоядерного синтеза, каждый из которых создает тепло. Возможно, этот или какой-то другой радикально новый подход приведет к финишной черте гораздо раньше, чем ожидалось, и выставит меня дураком (хотя, к счастью, это так).
