Термоядерный синтез: зеленая энергия будущего или далекая перспектива?

Ядерные исследования и их применение стремительно развиваются, определяя будущее производства энергии, медицинских достижений и национальной безопасности. Институт ядерных исследований Дальтона при Манчестерском университете стоит на переднем крае этих инноваций в Великобритании, играя ключевую роль в формировании ядерного ландшафта страны.

Представители Института Дальтона поясняют, что их организация является своего рода «зонтичной» структурой, охватывающей всю широту ядерных исследований в Манчестерском университете. Сфера деятельности института включает направления от ядерного деления до термоядерного синтеза, медицинского применения ядерных технологий и социальных наук. Они подчеркивают, что институт обладает крупнейшим и наиболее всеобъемлющим академическим потенциалом в области ядерных исследований в Соединенном Королевстве.

Представители Института Дальтона также акцентируют внимание на том, что ядерные материалы являются чрезвычайно важной областью исследований. Они отмечают насущную потребность в материалах, способных выдерживать экстремальные условия, характерные для реакторов деления и термоядерного синтеза. Такие материалы, по их словам, не только позволяют строить и эксплуатировать реакторы деления, поставляющие энергию в общую сеть, но и создавать экспериментальные термоядерные реакторы, а в перспективе – и полноценные термоядерные электростанции. Кроме того, ядерные материалы находят важное применение в медицинской сфере для проведения различных диагностических процедур и терапевтических методов лечения.

Эксперты Института Дальтона объясняют, что ядерный синтез – это процесс, аналогичный тому, что питает энергией Солнце. В ходе этого процесса два атомных ядра сливаются воедино, в отличие от реакции деления, где происходит расщепление атомов, и при этом высвобождается колоссальное количество энергии. Они указывают, что воссоздание на Земле условий, существующих в центре Солнца, представляет собой огромную техническую и научную задачу. Для этого необходимо нагреть изотопы водорода, такие как дейтерий и тритий, до состояния плазмы – четвертого состояния вещества. Чтобы запустить реакцию слияния ядер на Земле, требуются температуры, примерно в десять раз превышающие температуру солнечного ядра, то есть около 100 миллионов градусов Цельсия. Также необходимо обеспечить достаточную плотность атомов и достаточное время их удержания в таких условиях. В результате реакции между дейтерием и тритием образуются гелий и высокоэнергетические нейтроны.

Специалисты отмечают, что термоядерный синтез по праву считается экологически чистым источником энергии, поскольку его работа не сопровождается выбросами углекислого газа в атмосферу. Они выражают уверенность в том, что если удастся успешно реализовать эту технологию, она сможет обеспечить стабильную базовую выработку электроэнергии для энергосистем, а также откроет возможности для вторичных применений, например, в производстве водорода или для целей отопления. Однако эксперты признают, что технология термоядерного синтеза еще не достигла коммерческой зрелости и поэтому не может помочь в решении климатического кризиса в настоящее время. Тем не менее, при сохранении текущих темпов научного и технологического прогресса, термоядерный синтез имеет значительный потенциал стать важной частью «зеленого» энергетического баланса во второй половине текущего столетия и должен рассматриваться как неотъемлемый элемент долгосрочной энергетической стратегии, в то время как в ближайшей перспективе следует активно использовать уже существующие технологии, такие как ядерное деление и возобновляемые источники энергии.

Представители института считают, что полагаться исключительно на термоядерный синтез для преодоления климатического кризиса уже поздно, поскольку мир уже сегодня сталкивается с разрушительными последствиями изменения климата в глобальном масштабе. В краткосрочной перспективе, по их мнению, необходимо максимально эффективно использовать существующие низкоуглеродные технологии, включая ядерную энергетику на основе реакции деления и возобновляемые источники энергии, одновременно направляя инвестиции в исследования и разработки в области термоядерного синтеза как долгосрочного решения, способного стать частью диверсифицированного низкоуглеродного энергетического комплекса будущего. Они настаивают на том, что для успешной борьбы с климатическим кризисом необходимо задействовать весь арсенал доступных средств и подходов. Также чрезвычайно важно, по их словам, инвестировать в подготовку квалифицированных специалистов по всему миру, способных разрабатывать и внедрять инновационные решения, необходимые для противодействия изменению климата, и формировать как краткосрочные, так и долгосрочные стратегии развития.

Говоря о текущих исследовательских задачах в программах по ядерному синтезу, эксперты Института Дальтона указывают, что одной из ключевых целей является демонстрация чистого инженерного выигрыша энергии всей установки. К другим первоочередным задачам они относят разработку инновационных материалов, способных выдерживать интенсивное воздействие высокоэнергетических нейтронов и экстремальные тепловые нагрузки, характерные для термоядерных реакторов; освоение технологий наработки и безопасного обращения с тритием; а также обеспечение устойчивого удержания и демонстрации так называемой «горящей» плазмы. Кроме того, по их словам, активно ведется дальнейшее развитие методов дистанционного обслуживания и роботизированной техники для эксплуатации будущих установок, разработка передовых производственных технологий и формирование соответствующей промышленной цепочки поставок, внедрение методов цифрового инжиниринга на всех этапах жизненного цикла, а также разработка необходимой нормативно-правовой базы, чтобы после подтверждения готовности технологии можно было оперативно начать поставки термоядерной энергии в общую электросеть.

Специалисты признают, что до коммерческого использования термоядерного синтеза предстоит еще долгий путь. Необходимо добиться стабильного чистого энергетического выигрыша всей термоядерной установки, учитывая при этом все технологические неэффективности и потери энергии. Строительство термоядерной электростанции, по их словам, также сопряжено с решением многочисленных сложных инженерных и материаловедческих проблем. Однако они с оптимизмом отмечают, что объемы инвестиций в исследования термоядерного синтеза по всему миру растут, и в этой области наблюдается реальный прогресс. Существует острая потребность в подготовке большого количества высококвалифицированных кадров, обладающих необходимыми навыками для работы в этой передовой сфере, и эксперты выражают надежду, что технология найдет практическое применение во второй половине нынешнего века. Ключевым фактором для достижения этой амбициозной цели они называют активное и плодотворное международное сотрудничество. Касательно вопросов безопасности, эксперты напоминают, что любая технология сопряжена с определенными рисками, однако как для ядерной энергетики на основе деления, так и для термоядерного синтеза разрабатываются и внедряются надежные системы для эффективного управления этими рисками.

Представители Института Дальтона указывают, что решение проблемы вывода из эксплуатации ядерных объектов и реабилитации территорий, на которых хранятся унаследованные радиоактивные материалы, является серьезной и актуальной глобальной задачей. Конечной целью этой деятельности, по их словам, является обеспечение безопасного, надежного и экологически ответственного хранения радиоактивных отходов при экономически приемлемых затратах. Они сообщают, что институт получает финансирование на эти исследования как от государственной структуры UK Research and Innovation, так и от ведущих промышленных предприятий, таких как Nuclear Waste Services и Sellafield Ltd. Институт Дальтона возглавляет Офис поддержки исследований Службы по обращению с ядерными отходами (NWS RSO), Центр по плутонию Управления по выводу из эксплуатации ядерных объектов (NDA Plutonium Hub) и Центр экспертизы по сточным водам и дезактивации Sellafield (SEDCoE), тесно сотрудничая с ключевыми университетскими партнерами. Важнейшей особенностью их исследовательской деятельности, как они подчеркивают, является тесная кооперация между академическими учеными и отраслевыми экспертами для определения приоритетных направлений исследований, которые лежат в основе решения реальных мировых проблем в области ядерной экологии и безопасного обращения с отходами.

Эксперты предполагают, что производство высокотемпературного технологического тепла может стать еще одним перспективным применением термоядерного синтеза в будущем. Любая отрасль промышленности, нуждающаяся в больших объемах тепла для своих процессов, по их мнению, потенциально сможет извлечь выгоду из этой технологии. Кроме того, сопутствующие технологии, такие как высокотемпературные сверхпроводящие магниты и передовые системы робототехники, которые активно разрабатываются для нужд термоядерного синтеза, также находят или могут найти применение в широком спектре других отраслей промышленности и науки.

По оценкам представителей Института Дальтона, ядерный синтез потенциально может стать значимой частью «зеленого» энергетического баланса во второй половине текущего столетия. Они считают, что его следует рассматривать как важный элемент долгосрочной энергетической стратегии человечества, в то время как в ближайшей и среднесрочной перспективе необходимо продолжать активно использовать и развивать другие существующие низкоуглеродные технологии, такие как ядерная энергетика на основе реакции деления и возобновляемые источники энергии.