Большая часть дискуссий о том, как мы собираемся быстро перевести нашу энергетическую инфраструктуру на низкоуглеродную энергетику, касается существующих технологий или, в лучшем случае, постепенных усовершенствований. Проблема, конечно, в том, что мы работаем на опережение, и лучшие решения — это те, которые мы можем реализовать немедленно. Даже ядерные реакторы следующего поколения вызывают споры, поскольку они не являются проверенной технологией, хотя сама технология ядерного деления таковой является. Конечно, было бы неразумно рассчитывать на совершенно новую технологию в качестве нашего решения. Если появится какая-то технология, способная изменить правила игры, отлично, но до тех пор мы будем полагаться на то, что, как мы знаем, работает.
Я думаю, что главной технологией, способной изменить правила игры в энергетике, является термоядерный синтез. Технология термоядерного синтеза воспроизводит процессы, которые приводят в действие звезды, в основном превращая водород в другие формы водорода и, в конечном счете, в гелий. Достаточно массивные звезды могут затем превращать гелий в более тяжелые элементы, а более массивные звезды — в более тяжелые элементы, пока мы не доберемся до железа, которое невозможно сплавить для получения чистой энергии. Но даже для плавления самых легких элементов требуется огромное количество тепла и давления, что оказалось технологически трудным достижением на Земле. Однако мы постепенно приближаемся к этой цели, и недавно Национальная установка воспламенения в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в Калифорнии преодолела важный рубеж – воспламенение.
Буквально в прошлом году я писал о том, что NIF достигла еще одного рубежа — сжигания плазмы. Темпы продвижения казались довольно быстрыми, и я размышлял о том, сколько времени потребуется, чтобы достичь следующего этапа, ignition. Ну вот, мы и на месте. Вы можете прочитать эту статью для справки, но вкратце, в NIF используется метод термоядерного синтеза, называемый инерционным удержанием – система из 192 мощных лазеров создает внутреннее давление, достаточное для того, чтобы вызвать взрыв сосуда, при этом при взрыве возникает достаточное количество тепла и давления для осуществления термоядерного синтеза. Установка NIF была построена в 2009 году, но потребовалась значительная модернизация, прежде чем она стала достаточно мощной для проведения термоядерного синтеза в 2021 году. Часть энергии, получаемой в результате термоядерного синтеза, была использована для дальнейшего термоядерного синтеза — процесса, называемого сжиганием плазмы. Но в этом эксперименте термоядерный синтез обеспечивал только 70% энергии, необходимой для поддержания термоядерного синтеза. Это означает, что процесс термоядерного синтеза по-прежнему сопровождался чистыми потерями энергии. (Эти мощные лазеры требуют много энергии).
Очевидная цель состоит в том, чтобы термоядерный синтез вырабатывал более 100% энергии, необходимой для поддержания термоядерного синтеза. Но даже этого недостаточно. При термоядерном синтезе должно вырабатываться значительно больше 100% энергии, необходимой для поддержания термоядерного синтеза – достаточно, чтобы окупить всю энергию, необходимую для запуска термоядерного синтеза, и достаточно для того, чтобы отходящее тепло от процесса можно было использовать для превращения воды в пар и приведения в действие турбины для выработки электроэнергии. Это должно обеспечить выработку достаточного количества электроэнергии, чтобы оправдать затраты на строительство мощного термоядерного реактора.
Подробная информация о проекте NIF по-прежнему скудна, поскольку официальное объявление будет сделано только завтра (13 декабря). Информация, по-видимому, просочилась слишком рано, и поэтому пока у нас есть только отрывочные подробности. Но, похоже, в этом и заключается основная идея объявления: NIF (как и ожидалось) еще больше увеличил выработку энергии, перейдя черту воспламенения – производства энергии, достаточной для поддержания термоядерного синтеза. Чего я не знаю, так это того, насколько далеко они зашли.
Это потрясающая новость (хотя и не совсем неожиданная). Но главный вопрос остается открытым – как скоро появится работающая коммерческая термоядерная электростанция, которая будет поставлять чистую энергию в электрическую сеть? Я веду длительную дискуссию со своим братом Бобом по этому поводу в SGU. Он считает, что мы достигнем этого где-то в 2030-х годах. Я думаю, что это произойдет где-то после 2050 года. Я искренне надеюсь, что он прав, и он, скорее всего, будет утверждать, что последняя веха NIF является весомым аргументом в его пользу. Возможно, возможно, нет. Скорее всего, я напишу дополнение после завтрашнего объявления. Многое будет зависеть от того, как далеко они продвинулись, и от их оценок того, насколько далеко они продвинутся с их текущими постепенными достижениями. Как они думают, они достигнут коммерческого уровня чистой энергетики? Достигнут ли они этого через год, 10 или 20 лет? Даже если они достигнут этого в течение, скажем, нескольких лет, им потребуется спроектировать и построить коммерческий термоядерный реактор. Я подозреваю, что на это уйдет не менее 20 лет. Мы приближаемся к 2050 году.
Суть в том, что я по-прежнему оптимистично отношусь к тому, что в 2050-х годах мы увидим работающий термоядерный реактор. И, конечно, для того, чтобы оказать существенное влияние на глобальное потепление, нам нужно много термоядерных реакторов, а не только один. Вот почему я говорю, что термоядерная энергетика — это технология второй половины 21-го века. Ожидаемое объявление от NIF только помогает нам двигаться в этом направлении. Конечно, мы могли бы вложить миллиарды долларов в fusion (и Закон о снижении инфляции — хорошее начало) и ускорить разработку, получение разрешений и устранение всей бюрократической волокиты. Если мы “запустим” термоядерный реактор с инерционным удержанием, опираясь на результаты работы NIF, то, если быть очень оптимистичным, мы сможем продвинуться по графику до 2040-х годов. Я просто не думаю, что это произойдет.
Скорее, я думаю, мы построим тестовый реактор, предназначенный для выработки чистой энергии, но все же являющийся доказательством концепции. Это будет поздно и выйдет за рамки бюджета, но, надеюсь, сработает. И, основываясь на этом успехе, мы приступим к строительству более крупных коммерческих реакторов, запуск которых намечен на 2050-2060-е годы. Даже это оптимистично, но вполне правдоподобно – тем более сейчас, когда NIF добился запуска. Это также означает, что нам нужен план развития нашей энергетической инфраструктуры примерно до 2060 года, и к этому времени, возможно, мы сможем заменить устаревающие электростанции термоядерными реакторами. (Ранее я подробно объяснял, почему, по моему мнению, нам потребуется 20-30% базовой мощности, даже если мы попытаемся максимально использовать возобновляемые источники энергии.)
Однако я также думаю, что, как только мы достигнем работоспособной термоядерной энергетики, этот источник энергии станет важнейшей технологией для человечества в обозримом будущем, на тысячи лет. Даже незначительные усовершенствования сделают термоядерную энергетику более безопасной, эффективной, компактной и надежной. Преимущество термоядерной энергетики заключается в том, что она потенциально может производить огромное количество энергии на необходимой площади (в отличие от ветра и солнца). Он может работать на Луне или Марсе, он может работать вдали от Солнца, он может питать корабли, и в конечном счете его топливом является всего лишь водород, самый распространенный элемент во Вселенной.
Это связано с одним технологическим ограничивающим фактором – в NIF используются топливные капсулы из дейтерия и трития, а эти изотопы водорода трудно и медленно получать. Эту технологию также необходимо развивать, чтобы обеспечить достаточный запас топлива для всех тех термоядерных реакторов, которые мы хотели бы иметь. В конечном счете, нам, возможно, придется перейти к другой термоядерной технологии, которая может использовать, например, H3, который можно добывать с поверхности Луны (тоже спорная перспектива, но правдоподобная).
Проблема с топливом лишь подчеркивает тот факт, что мы еще не достигли этого. Легко прийти в восторг от достижения такой технологической вехи, как зажигание в эксперименте по термоядерному синтезу. Это дает нам возможность заглянуть (надеюсь) в ближайшее будущее. Но новые технологии, подобные этой, сложно разрабатывать и внедрять. На этой неделе вы, вероятно, прочитаете много статей и заголовков о том, что термоядерный синтез уже не за горами, но я по-прежнему считаю, что речь идет о 30-летнем периоде. Это не означает преуменьшения значимости этой вехи – она доказывает, что термоядерная энергетика вполне реальна. Мы можем производить больше энергии, чем требуется для запуска термоядерного синтеза. Но нам нужно учитывать этот прогресс в контексте. Нам еще предстоит проделать большую работу и получить финансирование от коммерческих термоядерных реакторов.
