Коммерческое солнце

В Массачусетском технологическом институте (MIT) объявили, что его спин-офф, частная компания Commonwealth Fusion Systems (CFS), и сам MIT начинают работу над созданием нового поколения экспериментальных термоядерных установок — токамаков — для выработки электричества. Это стало возможным благодаря успехам MIT в разработке высокотемпературных сверхпроводников.

CFS заявила, что она привлекла инвестиции в размере 50 млн долларов от итальянской энергетической компании Eni и продолжает добиваться поддержки от других инвесторов. CFS будет финансировать исследования по термоядерному синтезу в MIT с целью быстрой коммерциализации термоядерных установок и создания новой отрасли экономики.

Это сотрудничество, как отмечают в MIT, нацелено и на то, чтобы открыть стартапам в области энергетики ресурсы энергетических компаний и их обширные знания об энергетической системе. Известно, что стартапы в области энергетики часто требуют более значительного, чем в других областях, финансирования исследований, и традиционные формы раннего финансирования часто несовместимы с продолжительными сроками разработки и капиталоемкостью, которые хорошо известны инвесторам в области энергетики. Как заметил один из разработчиков, «это не похоже на то, как три инженера создают новое IT-приложение в гараже».

«Это важный исторический момент: успехи в создании сверхпроводящих магнитов сделали возможным создание термоядерного реактора, — сказал президент MIT Рафаэль Райф. — Я в восторге от того, что к MIT присоединяются промышленные союзники, чтобы быстрее продвигаться к нашему общему будущему».

«Все согласны с коммерческим потенциалом этой разработки, но нас часто спрашивают: как вы решились на это? — говорит генеральный директор Commonwealth Fusion Systems Роберт Мумгаард. — Все просто. Мы опираемся на уже имеющиеся достижения науки, сотрудничаем с правильными партнерами и решаем проблемы шаг за шагом».

Цель — компактный токамак

Известно, что в процессе термоядерного синтеза высвобождается огромное количество энергии. Это свойство термоядерной реакции было использовано при создании термоядерной бомбы. Использование этой энергии в мирных целях затрудняется тем, что процесс термоядерного синтеза протекает при экстремальных температурах, до сотен миллионов градусов по Цельсию.

В поисках возможности использования термоядерной реакции для получения электрической энергии в Советском Союзе еще в 1950-е годы была разработана установка под названием токамак (тороидальная камера с магнитными катушками). Первый токамак был построен в 1954 году, и долгое время токамаки существовали только в СССР.

Токамак — это тороидальная установка для магнитного удержания высокотемпературной плазмы, возникающей при термоядерной реакции. При этом плазма удерживается не стенками камеры, которые не способны выдержать ее температуру, а специально создаваемым магнитным полем.

Усилия ученых MIT в настоящее время направлены на создание компактного токамака, способного генерировать 100 МВт мощности. Это устройство, если все будет идти по плану, покажут, что возможно реализовать ключевые технические решения, необходимые для построения полномасштабного прототипа термоядерной электростанции.

По мнению разработчиков, если термоядерные электростанции будут широко распространены, они смогут удовлетворить значительную часть растущих потребностей в энергии в мире, а также резко сократить выбросы парниковых газов, которые вызывают глобальное изменение климата.

Вице-президент MIT по исследованиям Мария Зубер, написала в Boston Globe, что «если мы добьемся успеха, мировые энергетические системы будут радикально преобразованы».

Все дело в сверхпроводнике

На первом этапе усилия разработчиков будут направлены на создание самых мощных в мире сверхпроводящих электромагнитов, которые позволят построить гораздо более компактную, чем до сих пор получалось, версию токамака.

Новый тип сверхпроводящих магнитов, которые только недавно стали доступными, должен позволить создать магнитное поле, которое будет в четыре раза сильнее, чем в любом из уже проведенных экспериментов по термоядерному синтезу, и это даст возможность более чем в десять раз увеличить мощность, вырабатываемую токамаком данного размера.

Поскольку эти магниты — ключевая технология для нового термоядерного реактора, работа над ними будет главной задачей начального этапа проекта MIT и CFS, рассчитанного на три года.

В качестве материала для сверхпроводящих магнитов предполагается использовать стальную ленту, покрытую оксидом иттрий–барий–медь (YBCO). Это соединение — первый полученный сверхпроводник с критической температурой выше 77 К.

Команда разработчиков уверена, что магниты на основе YBCO для токамаков могут быть созданы, хотя, как сказал заместитель директора Plasma Science and Fusion Center Массачусетского технологического института Мартин Гринвальд, «это не тривиальная задача, для этого потребуется большая работа большой группы исследователей». Но, отмечает он, известно, что на основе этого материала уже создавались магниты для других целей, напряженность магнитного поля которых в два раза превышала ту, что потребуется для этого реактора. Хотя те магниты были небольшими, они подтверждают базовую осуществимость концепции.

Крайний слева - Мартин Гринвалд, заместитель директора Plasma Science and Fusion Center (PSFC) MIT, второй справа - Боб Мумгаард, CEO компании Commonwealth Fusion Systems (CFS), крайний справа - Деннис Уайт, директор PSFC

Фотография: MIT

Использование ленты YBCO позволяет также резко снизить стоимость установки, сократить время и сложность разработки, необходимой для создания коммерческих энергетических устройств, давая возможность включиться в разработку новым игрокам: университетам и частным компаниям.

Благодаря этим магнитам существенно сокращаются размеры установок, необходимых для достижения заданного уровня мощности. В результате компоненты реактора, которые сейчас настолько велики, что их окончательное изготовление можно осуществлять только на месте строительства электростанции, теперь смогут производиться на заводе; пропорционально будет уменьшаться и общая стоимость, и время на проектирование и строительство.

А далее MIT и CFS должны разработать и построить компактный и мощный токамак, названный SPARC, с использованием этих магнитов. Это станет заключительным раундом исследований, позволяющим разработать первые в мире коммерческие энергоемкие установки для термояда.

SPARC предназначен для производства около 100 МВт. Это более чем вдвое превышает мощность, используемую для нагрева плазмы. То есть SPARC будет производить мощность, составляющую около пятой части мощности ITER — международного экспериментального термоядерного реактора, который строится на юге Франции, но его размер будет составлять около 1/65 объема ITER.

Переход к промышленному производству

В случае успеха проекта SPARC, в чем его разработчики, похоже, не сомневаются, начнется окончательное проектирование и строительство первой в мире промышленной термоядерной электростанции мощностью 200 МВт, сравнимой с мощностью большинства современных коммерческих электростанций. Такие электростанции, по оценке разработчиков, могут стать реальностью в течение пятнадцати последующих лет.

«Как только технология магнитов будет окончательно отработана, следующий шаг по разработке SPARC основан на относительно простой эволюции существующих образцов токомаков», — говорит г-н Уайт, глава департамента ядерной науки и техники Массачусетского технологического института (MITEI). — Тем более что исследовательский проект предполагает использование научных знаний и опыта, накопленных за десятилетия исследований, финансируемых правительством США, включая работу MIT с 1971 по 2016 год с экспериментом Alcator C-Mod (Alcator-С-мод представляет собой токамак, используемый для экспериментов в области термоядерного синтеза в Массачусетском технологическом институте. В 2016 году на нем была достигнута самая высокая напряженность магнитного поля и самое высокое давление плазмы. Это был самый большой в мире термоядерный реактор, управляемый университетом. — “Стимул”) , а также его предшественниками». Как подчеркивают исследователи, SPARC — это результат развития дизайна токамака, который изучается и совершенствуется на протяжении десятилетий, в том числе в MIT, где эта работа началась в 1970-х годах под руководством профессоров Бруно Коппи и Рона Паркера. Это дает придает разработчикам уверенности в успехе.

В MIT также ожидают, что их сотрудничество с CFS позволит значительно сократить время вывода технологии термоядерного синтеза на рынок.

Как заметил Мартин Гринвальд, «если SPARC действительно достигнет ожидаемой производительности, для энергетики это будет равносильно полету братьев Райт для авиации. Это будет убедительная демонстрация возможности производства чистой энергии в устройстве, которое масштабируется до реальной электростанции».