Несмотря на все споры, главной движущей силой в истории атомной энергетики продолжает оставаться растущий спрос. И в богатых, и в бедных странах кровеносной системой современной жизни стали электрические сети. Автомобили медленно превращаются в аккумуляторы на колёсах. Тепловые насосы и индукционные плиты вытесняют газовые горелки. Заводы переходят на электрические печи и электролизёры. К существующим потребителям энергосистемы добавились новые и весьма требовательные — центры обработки данных, растущие благодаря искусственному интеллекту и постоянно нуждающиеся в росте мощности. Аналитики международных агентств теперь говорят о доступе к «надёжной чистой энергии» так же, как городские планировщики когда-то говорили о водопроводе — как о чём-то настолько необходимом, что вся остальная система без него просто немыслима. Ветряки и солнечные панели, многочисленные и дешёвые, возьмут на себя бóльшую часть нагрузки. Но даже их самые ярые сторонники признают, что для подстраховки миру нужны компактные источники, независимые от погоды. Задача термоядерного синтеза — не заменить ВИЭ, а дополнить их, выполняя свою работу тихо и непрерывно, используя топливо, извлекаемое из морской воды и лёгкого металла лития.
Если идея термоядерного синтеза на бумаге так проста, тогда почему она так долго буксовала в лаборатории? Потому что, в отличие от Земли, Солнце жульничает. Для сжатия атомов звезда использует собственную гравитацию, в то время как на Земле инженерам приходится создавать гравитацию искусственно с помощью машин. Один тип машин создает своего рода «магнитную бутылку» — силовое поле, сконструированное таким образом, чтобы газ температурой в 100 миллионов градусов никогда не касался стенок. Никакой физический материал не выдержит такой жары; удержать её способен только магнетизм. Другой тип машин в образованном пространстве создаёт сильнейшее давление. Он берёт микроскопическую замороженную каплю топлива и с помощью мощного лазерного луча сжимает её со всех сторон, так что на крошечное мгновение топливо становится плотнее свинца и разогревается до воспламенения. В одном случае огонь поддерживается постоянно, как угли в костре; в другом он создается импульсами, такими короткими, что их можно измерить лишь в наносекундах. Обе эти технологии старше большинства своих нынешних практиков. Новизна в том, что сегодня специалисты научились поддерживать этот процесс постоянно и равномерно, как на производственной линии.
ИТЭР: демонстрация технологии в промышленном масштабе
На небольшом участке земли в Провансе 35 государств собирают ИТЭР — термоядерный реактор типа токамак, чтобы с помощью инновационной электростанции ответить на один-единственный вопрос: можно ли нагреть плазму, сжатую магнитами, до такой температуры, чтобы горение не прекращалось? ИТЭР не предназначен для производства электроэнергии. Это экспериментальный образец для демонстрации возможностей физики и инженерии, который должен научиться вырабатывать в десять раз больше энергии синтеза, чем энергии, затраченной на внешний нагрев, — примерно 500 мегаватт тепла от синтеза при затрате около 50 мегаватт на нагрев плазмы, в течение работы импульсов продолжительностью в несколько сотен секунд (знаменитое выражение Q≥10). Руководство проекта приняло пересмотренный «Базовый план 2024 года», который последовательно ведёт машину к выполнению важных исследовательских операций в 2030-х годах (сначала циклы на водороде и дейтерии, затем полноценные рабочие фазы), учитывая особенности компонентов и сборки после многолетних опытов и уроков, извлечённых в ходе налаживания цепочек поставок. Ближайшим результатом станет пусть ещё не передача электронов в сеть, но уже стабильно горящая плазма и библиотека решений по отводу тепла в диверторе, материалам стенок и обращению с тритием, которые можно использовать в промышленности.
Как термоядерный синтез становится промышленным — и почему российские «атомные города» снова в деле
Во время испытаний лазерная установка Национального центра зажигания (NIF) в Калифорнии гудит словно оркестр, настраивающийся перед концертом, — тысячи систем готовятся к слаженной работе. В комнате управления за толстым стеклом инженеры тихо общаются между собой по гарнитуре и наблюдают, как на экранах появляются последние знаки после запятой. Когда обратный отсчёт достигает нуля и два мегаджоуля света обрушиваются на цель размером с горошину, комната замирает. Вспышки не видно, появляются только цифры для анализа: дуга ударной волны, чёткий рост числа нейтронов, упрямая и приятная асимметрия импульса, образованного именно так, как и было задумано. Этот бесшумный оркестр поставил перед собой амбициозную цель — запереть в колбу процесс, зажигающий Солнце.
В 2025 году эта амбиция обрела неожиданную форму. Десятилетиями термоядерный синтез существовал лишь в полумифической перспективе, там где летающие автомобили проносятся мимо марсианских баз — в неизменном отрыве от реалий сегодняшнего дня. Однако с течением времени в лабораториях и на производственных площадках по всему миру произошли перемены: из мира воображения и научной фантастики термоядерная энергетика перекочевала в реальность.
Залпы американской лазерной установки, которые раньше гремели в заголовках, постепенно превратились в ежедневную рутину. В Германии стелларатор —магнитное устройство для удержания плазмы — работает всё стабильнее и дольше, а охлаждать его компоненты стало так же просто, как тормоза гоночного автомобиля. В Корее и Китае токамаки в форме бублика уверенно демонстрируют стабильную работоспособность, так необходимую для электростанции. Новый сверхпроводящий токамак в Японии уже прошёл этап строительства и превратился в живой, гудящий организм. Все эти проекты перешли от стадии триумфальных заявлений к стадии будничной работы.
Чтобы понять, почему это важно, стоит привести простую иллюстрацию. Существует всего два основных метода выработки ядерной энергии. Деление, которым мы пользуемся сегодня, — это управляемое расщепление тяжелых атомов, таких как уран. Атом распадается, выделяется тепло, которое превращает воду в пар, вращающий турбину. Деление помогает снижать выбросы парниковых газов в атмосферу, поддерживая напряжение в сети в безветренные ночи, но требует сложных систем безопасности и оставляет после себя отходы, требующие длительной переработки. Термоядерный синтез, напротив, — это слияние легких атомов. Две формы водорода — дейтерий и тритий — сжимаются, образуя гелий и свободный нейтрон. Цепной реакции, которая может выйти из-под контроля, здесь не происходит. Если сверхгорячий газ, в котором происходит реакция, выйдет из режима «горящей плазмы», огонь погаснет сам. Радиация при этом всё же выделяется — материалы в пределах реакции подвергаются бомбардировке нейтронами, а баланс выработки и потребления трития требует тщательного контроля, — но профиль риска значительно отличается от того, что мы привыкли видеть у продуктов деления.
Прогресс потребовал одновременного решения нескольких сложных проблем. Физическая проблема — заставить крошечную звезду сохранять жар, плотность и стабильность — три параметра, которые отказываются работать вместе. Если повысить температуру —будет трудно удерживать газ; если повысить плотность — начинает «плеваться» плазма; если увеличить длительность импульсов — вольфрамовые пластины расплавятся и загрязнят плазму. Неустойчивость материалов создаёт вторую серьёзную проблему. Детали, находящиеся рядом с плазмой, подвергаются жару, как при работе ракетного сопла, а также невидимому граду быстрых нейтронов, которые легко разрушают прочные решетки металлов и керамики. Поэтому исследователи изобретают новые сплавы и новые способы отвода тепла: каналы, просверленные в стали, словно жилки в листе; плитки, выдерживающие тепловые удары; жидкометаллические «одеяла», которые улавливают нейтроны, производят тритий и защищают находящуюся под ними вакуумную камеру реактора и систему сверхпроводящих магнитов. И, наконец, существует проблема управления. Горячая плазма меняет форму, словно живое существо. Чтобы не допустить растекания, операторы постоянно воздействуют на неё радиоволнами, микроволнами, маленькими гранулами топлива и токами в катушках, которые корректируют форму магнитного поля — это похоже на балет, и его хореографом всё чаще выступает специальное ПО. Годами лаборатории по всему миру умели нагревать плазму лишь одиночными импульсами, каждый из которых казался фантастикой. Но им не удавалось создать стабильный импульс высокой плотности, так необходимый для электростанции. Именно в этом заключается прогресс последних двух лет: фантастика обрела постоянство.
Извилистый путь к рукотворному Солнцу
Путь к результатам сегодняшнего дня был непростым. Американская «зеркальная» установка, когда-то казавшаяся технологией будущего, уступила место магнитному «бублику», доказавшему своё превосходство. Стелларатор — причудливый двоюродный брат «бублика» — во многих странах был отложен прозапас, а затем возрождён. Технология зажигания с помощью лазерного синтеза прошла столько итераций, что многие из её поборников сбились со счёта, а затем она внезапно получила повсеместное признание. Всё это было не зря. Ранние эскизы Шпитцера, знаменитый критерий Лоусона, масштабирование переноса — для непосвященного эти термины звучат как поэзия, а для современных учёных они стали частью инструментария.
Эта история касается не только науки, но и политики, и культуры.
Ядерная энергетика быстро развивалась в 1960-70-х годах — этому способствовали нефтяные кризисы, — а затем потеряла доверие общественности после аварий на станциях Три-Майл-Айленд, ЧАЭС и Фукусима. Даже несмотря на то, что действующие реакторы способствовали снижению выбросов парниковых газов, новые проекты спотыкались о страхи и споры о стоимости. В последние несколько лет накал страстей утих. У климатических кампаний своя логика. Но, если газопроводы можно перекрыть, то запретить кондиционеры в крупных городах пока что не получается. Политики вновь заговорили об атомной энергетике — сначала о продлении срока службы старых реакторов, затем о новых компактных проектах, и, наконец, о термоядерном синтезе, который, пользуясь профессиональной основой атомной отрасли, обещает при этом принципиально иной профиль риска.
Тем временем техника повзрослела. В американском лазерном центре история успешных зажиганий занимает длинные журналы, стабильность импульсов возросла, а расчётные инструменты дают гораздо более точные прогнозы. В Германии стелларатор, похожий на скульптуру, с лёгкостью удерживает плазму в спокойном состоянии, а его внутренности с водяным охлаждением прекрасно отводят тепло. В Корее токамак с вольфрамовой бронёй поддерживает высокопроизводительную работу уже дольше минуты без разрушительных вспышек на краю, которые раньше заканчивались неприятными инцидентами. Институт физики плазмы (ASIPP) Китайской академии наук, известный своим научным упорством, заявил о том, что добился продолжительности импульса в тысячу секунд, усовершенствовал режимы работы и, согласно последним данным, нашёл способ повысить плотность плазмы без потери стабильности. Создатели сверхпроводящего токамака в Японии, спроектированного совместно с учёными из ЕС, уже меняют строительные каски на лабораторные блокноты. Частные компании по всему миру заняты неприметной, но важной работой, знаменующей старт новой промышленности: размещают заказы на трансформаторы, заливают бетон, приобретают страховки и подписывают соглашения о покупке электроэнергии. Конечно, за последние несколько лет инвесторы стали разборчивее, но правительства США и Великобритании в ответ на это уже разработали стратегии и правила планирования, рассматривающие термоядерный синтез как технологию, подлежащую промышленному внедрению, а не просто восхищённому созерцанию.
Закрытые «атомные города» России
Одна из глав этой истории начинается, как и многие другие главы XX века, в закрытом городе. В конце 1960-х результаты экспериментов на советском реакторе в Москве были настолько впечатляющими, что британские физики прилетели туда со своими собственными приборами, чтобы их перепроверить. Измерения подтвердились, и в одно мгновение научный мир изменил свой курс. Путеводной звездой магнитного термоядерного синтеза стал токамак в форме бублика. Некоторое время после распада Советского Союза казалось, что некогда мощная сеть спрятанных в лесах секретных городков, каждый из которых имел два имени, одно официальное, но безликое, а другое яркое и запоминающееся, ушла в глубокую тень. Но в последние несколько лет на волне научных перемен российская атомная программа пережила второе рождение. Сейчас её интересы сфокусированы не на установлении новых рекордов, а на создании «внутренностей» электростанции будущего. Отремонтированная исследовательская установка в Москве используется для отработки повседневных задач эксплуатации: нагрева, подачи топлива, поддержания долговременной стабильности плазмы. Ещё один проект, также нацеленный не на славу, а на производительность, представляет собой долговременный испытательный стенд для проверки работы выхлопных систем и оборудования топливного цикла под воздействием реалистичных тепловых и нейтронных нагрузок. В Троицке, расположенном на юге столичного региона, инженеры создают именно такие испытательные комплексы. В Санкт-Петербурге и нескольких других городах России производятся мощные источники микроволн — гиротроны, — которые применяются для нагрева плазмы не только в российских, но и в международных проектах. Предприятия, которые когда-то выпускали катушки для первого токамака, восстановили технологии производства деталей, которые теперь поставляются даже на экспорт.
Эти достижения напоминают нам, что термоядерный синтез, как и авиация, и производство чипов, — это результат слаженной работы многих предприятий. Помимо ядерной физики, здесь есть поставщики сверхпроводящих лент и криогенных клапанов, производители вакуумных сосудов сверхвысокого качества, специалисты по источникам питания, способным с хирургической точностью подавать тысячи ампер. Поколение инженеров, обучавшихся на большом европейском экспериментальном реакторе, распространило свой опыт на десятки промышленных программ, а индийские компании отточили свои производственные навыки до уровня искусства, создав вакуумный сосуд высотой с величественный храм. Соединенные Штаты и Великобритания, в свою очередь, подоспели с бюрократическими документами, которых так жаждет промышленность. Теперь разработаны и национальные стратегии, и детальные планы — та необходимая алхимия, благодаря которой неопределённость превращается в импульс.
Дёшево ли стоит термоядерный синтез? Пока что нет — и это честный ответ, который современные профессионалы дают спокойно, не моргнув и глазом. Дёшево стоит топливо — дейтерий можно перегонять из морской воды, тритий выращивать из лития внутри самой установки — и среди отходов нет углекислого газа. Но сами реакторы капризны и поначалу дороги. Стоимость будет зависеть от того, как долго прослужат их компоненты: сверхпроводящие магниты, источники микроволн, а также диверторы, вдыхающие тепло и выдыхающие его в контуры охлаждения. Лазерные установки требуют от человека овладеть искусством изготовления миллионов дешёвых, идеально ровных маленьких мишеней. Экономисты, занимающиеся моделированием, предрекают: если технология хочет стать конкурентоспособной на обычных рынках, она должна уместиться в ту же ценовую категорию, что и современная атомная энергетика и комплексы возобновляемых источников с накопителями. Это верно для каждой новой энергетической технологии — от газовых турбин с комбинированным циклом до морской ветроэнергетики: первый экземпляр стоит дорого, а десятый — уже приемлемо. Что касается экологической устойчивости, то задача здесь также ясна: необходимо строго следить за балансом выработки трития, выбирать легкоперерабатывамые материалы и проектировать компоненты так, чтобы период полураспада радиоактивных элементов занимал десятки, а не тысячи лет.
Что будет дальше, зависит уже не от чудес, а от упорства. Самые большие скачки в науке и технике часто происходят там, где технологии выходят на уровень проектной мощности. «Проект Манхэттен», подаривший промышленности ядерное деление, это, наверное, самый мрачный пример. В качестве более позитивных можно назвать адронный коллайдер и лунные миссии. Эту же позицию сегодня отражают программы термоядерного синтеза. Китайские лаборатории, европейские консорциумы, японские и корейские команды, российские институты — каждый выбрал свой путь и с тех пор движется с дисциплиной марафонца: производство оборудования, техника эксплуатации, корректировки, новые итерации. Наиболее вероятное ближайшее будущее термоядерного синтеза — планомерное продвижение, и именно поэтому оглашаемые цели звучат правдоподобно. Несколько пилотных установок зажгут плазму в конце 2020-х. Одна или две из них в начале 2030-х впервые подадут электроэнергию в сеть на несколько часов или дней. Ко второй половине третьего десятилетия небольшое число площадок, возможно, будет бесперебойно продавать чистую энергию по контракту для кампусов при центрах обработки данных или для промышленных кластеров. Это не будет похоже на высадку на Луну. Это будет похоже на повсеместно освоенное новое ремесло.
И вот почему бесшумный театр лазерной установки в Калифорнии, скупая красота изгибов немецкого стелларатора, будничные конструкции теплообменников, спроектированные в российских НИИ, — всё это часть одной истории. Годами термоядерный синтез рассматривался как загадка с одним потенциально возможным ответом. Сегодня это уже промышленность — тысячи точных ответов в виде деталей, аккуратно сложенных в ящики, это ПО, размещённое в репозиториях, это мышечная память техников, которые больше не считают себя первопроходцами. То, что зажигает Солнце, — больше не тайна. Осталось лишь выработать привычку ухаживать за этим рукотворным огнём. Когда человек освоил новое ремесло до автоматизма, он уже едва ли его забудет.
Кто заливает первый бетон коммерческих проектов
Commonwealth Fusion Systems (CFS) —созданная выходцами из МИТ, эта компания превратила высокотемпературные сверхпроводящие магниты (HTS) из лабораторного инвентаря в промышленное оборудование. Недавно она заявила, что компактный эксперимент SPARC перейдёт в новое качество и будет реализован в виде первой в своём роде электростанции ARC. В качестве места для строительства блока мощностью 400 МВт был выбран штат Вирджиния, а ввод в эксплуатацию намечен на начало 2030-х годов. Уже сейчас CFS ведёт незаметную, но стратегически важную работу: выбирает площадку, планирует подключение к сети и закупку компонентов с длительным сроком поставки. Согласно последним новостям, с компанией уже заключён ряд коммерческих соглашений о покупке электроэнергии на сотни мегаватт, в которых прописан канал сбыта, и термоядерная энергия фигурирует как надёжный источник питания для центров обработки данных. Коротко: сначала магниты, а затем первая в своем роде электростанция с традиционным паровым циклом.
Helion Energy выбрала нестандартный путь. Её импульсный магнитно-инерционный метод разогревает плазму короткими, мощными вспышками и напрямую превращает энергию в ток. Компания уже вошла в историю, заключив первый в мире контракт на поставку термоядерной энергии (клиентом стала Microsoft). На площадке в штате Вашингтон кипит работа, а местные власти дали «зелёный свет» следующему этапу строительства. В приоритете здесь — чёткая бизнес-модель: подключение к действующим сетям, партнёрство с энергогигантом Constellation для сбыта и заказчик с твёрдой датой поставки. Главный вызов — быстро перенести опыт с прототипа Polaris на первую сетевую установку Orion.
TAE Technologies — калифорнийский ветеран термоядерного синтеза, работающий с плазменно‑пучковой технологией. Компания строит установку Copernicus, шестую в своей линейке. Учёные хотят получить подтверждение, что технология выйдет в плюс по производству энергии, прежде чем приступать к проекту полноценной станции. В последних отчетах TAE отмечает упрощённый запуск и стабильную высокотемпературную плазму, а также новый источник финансирования для ввода установки в строй. Если они преуспеют в сохранении температуры и стабильности плазмы вкупе с повышением энергобаланса, то их следующая установка (под названием Da Vinci) уже будет не пересмотром инженерного решения по сути, а воплотит его в промышленном масштабе.
General Fusion делает ставку на технологию «магнетизированной мишени», сжатую оболочкой из жидкого металла. Свернув демо-проект в Кулхэме, компания сосредоточилась на программе LM26 и теперь предлагает пошаговый план: первая плазма на новом реакторе, рецензируемое моделирование времени удержания плазмы в мишени, температура выше 100 миллионов градусов, окупаемость к середине 2020-х и выход на рынок в 2030-х. Преимуществами проекта названы жидкая стенка, прощающая ошибки эксплуатации, и компоновка, пригодная для тяжелой промышленности. Слабое звено — необходимость доказать повторяемость эксперимента и общую эффективность технологии.
Tokamak Energy — британский пионер сферических токамаков и высокотемпературных сверхпроводников (HTS). Компания позиционирует установку ST80-HTS (компактный реактор с исключительно сильным магнитным полем) как технологический мост к пилотной станции ST-E1, которая должна выдавать десятки мегаватт чистой электроэнергии уже в начале 2030-х. Их расчеты показывают: 800 МВт термоядерной мощности дадут в первой конфигурации около 85 МВт чистой электроэнергии — скромно по отдаче, но прагматично в подходе «обучение на практике». Плюсы в том, что компания держит патенты на магниты и её проект готов к серийному производству.
Zap Energy, в отличие от предыдущей компании, отказалась от гигантских магнитов в пользу компактной пинч-технологии, в которой мощный электрический ток, пропускаемый через плазму, создаёт сжимающее её магнитное поле (модели FuZE, FuZE-Q). Их философия — высокий темп работы: десятки тысяч плазменных разрядов в год, растущий выход нейтронов и установка для быстрых итераций. Они на более ранней стадии, чем CFS или Helion, но, если команде удастся стабилизировать плазму на высоких параметрах без магнитов, энергоустановка будет очень маленькой по габаритам.
Type One Energy — стартап от ветеранов проекта Wendelstein 7-X. Компания реконструирует площадку в Теннесси для строительства стенда Infinity One, соседствуя с энергетиками и учеными из Oak Ridge. На пути к пилотному проекту они ставят цель снять риски по изготовлению, обслуживанию и надежности (довольно прозаичные, но критичные параметры для энергокомпаний). Стеллараторы долго запускаются, но работают непрерывно, что безумно нравится проектировщикам энергосетей — при условии, что их можно строить серийно.
Proxima Fusion и Renaissance Fusion — европейские проекты стеллараторов. Мюнхенская Proxima (выходцы из Института Макса Планка) привлекла крупнейший в Европе раунд финансирования в этом году на создание стеллараторной установки, опубликовав открытые планы на ранней стадии проекта. Цели: тестовая катушка к 2027 году, демонстрационный образец в начале 2030-х. Renaissance из Гренобля делает ставку на катушки из высокотемпературных сверхпроводников (HTS), создаваемые методом прямого нанесения, и жидкометаллические стенки, что позволяет сделать технологию стеллараторов более простой и надёжной в эксплуатации. В качестве коммерческого преимущества европейские компании выделяют успешный опыт Wendelstein 7-X и режим непрерывной работы своей установки.