Когда человечество научится производить энергию из термоядерного синтеза? Вопрос из теоретического уже превратился в коммерческий с инвестициями, сроками и технологиями. Итальянская Eni, например, заплатила 1 млрд долларов за электричество, которое будет произведено на термоядерной установке в США в середине 2030 годов.
Фото: El periodico de la energia Энергетический гигант Eni закупил на 1 млрд долларов энергии, которая будет произведена на термоядерном реакторе через 10 лет
Елена Иванова
Термоядерный синтез: от фундаментальной физики к электростанции
Энергетические компании мира начали активно инвестировать компании, которые обещают производить электроэнергию с помощью термоядерного синтеза. По данным По Fusion Industry Association, за пять лет к середине 2025 года 53 частные компании, строящие токамаки и другие установки на основе синтеза ядра, привлекли около $9,77 млрд. Из них, пишет Reuters, только в прошлом году инвесторы вложили 2,64 млрд. Но 2026 год может побить рекорд. Американский токамак CFS получил от итальянской энергетической компании Eni в июне более 1 млрд долларов.
При этом нужно понимать, что работающие установки, на которых проходит синтез, есть. Работающих электростанций на основе этой технологии пока нет. Из трех этапов, которые необходимо пройти, чтобы начать производить низкоуглеродную энергию, сейчас уже пройдены два. Ученые уже давно научились получать термоядерную энергию. Существуют экспериментальные установки, где энергии получают от реакции больше, чем затрачивают на нагрев или сжатие топлива. Но построить электростанцию, которая в непрерывном режиме производит электроэнергию, пока не удалось ни одной стране.
Самый известный результат был получен на американской установке NIF (National Ignition Facility). Она использует мощные лазеры, которые сжимают маленькую капсулу с дейтерием и тритием. В экспериментах удалось получить больше энергии термоядерного синтеза, чем энергии лазерного импульса, непосредственно доставленной к мишени. Это считается прорывом, но это не означает, что установка в целом производит больше электричества, чем потребляет. Лазеры сами требуют огромного количества энергии, поэтому до коммерческой электростанции здесь ещё очень далеко.
Фото: photonics.com Производство электроэнергии на основе синтеза потребует более мощных лазеров
Термоядерный синтез в США: соревнование технологий и подходов
Токамак — главный кандидат из всех технологий на использование в электростанциях будущего. Изобретенная в недрах Курчатовского института академиками Таммом и Сахаровым тороидальная камера с магнитными катушками в 1954 году легла в основу как американских, так и китайских термоядерных проектов. Сверхгорячая плазма в форме бублика удерживается электромагнитами
Именно эту технологию используют крупнейшие международные проекты, включая международный ITER, расположенный во Франции. Новое поколение токамаков представлено американской Commonwealth Fusion Systems (CFS). Компания использует высокотемпературные сверхпроводящие магниты, которые позволяют создавать значительно более сильное магнитное поле. Благодаря этому реактор можно сделать намного меньше, чем ITER.
CFS уже привлекла около $4 млрд. В июле 2026 года компания получила ещё $1 млрд. от Eni. Её экспериментальный реактор называется SPARC. Компания рассчитывает добиться режима Q>1 — когда термоядерная реакция выдаёт больше энергии, чем непосредственно требуется для поддержания плазмы — в 2027 году. Следующая установка ARC уже должна быть электростанцией. Ее планируется запустить в начале 2030 годов.
Американская Helion Energy не строит классический токамак. У неё другая схема: плазма разгоняется и сжимается магнитными полями, а получаемая энергия преобразуется не через паровую турбину, а непосредственно в электричество.
Лазерный синтез — это направление, которое продемонстрировал NIF. Маленькая капсула со смесью дейтерия и трития сжимается мощнейшими лазерами.
Путь к электростанции полон препятствий
Для реакции дейтерий–тритий используется следующая схема: дейтерий и тритий сливаются, образуя ядро гелия, нейтрон и 17,6 МэВ энергии. Дейтерий является достаточно распространённым элементом, и его можно получать из обычной воды. С тритием ситуация значительно сложнее. В природе его практически нет, поэтому предполагается, что промышленный термоядерный реактор должен будет производить тритий самостоятельно из лития, содержащегося в специальном слое — так называемом бланкете, окружающем реакционную зону.
Однако производство трития — лишь одна из многочисленных инженерных проблем, которые предстоит решить для создания коммерческой термоядерной электростанции. Недостаточно научиться запускать и поддерживать термоядерную реакцию. Необходимо обеспечить устойчивое удержание сверхгорячей плазмы и предотвратить её нестабильности, разработать материалы для первой стенки реактора, способные выдерживать экстремальные температуры и интенсивное нейтронное облучение, а также обеспечить эффективный отвод тепла.
Отдельной проблемой является обслуживание реактора. Компоненты, расположенные непосредственно возле плазмы, будут подвергаться сильнейшему воздействию нейтронов и со временем потребуют замены. Поэтому значительную часть ремонтных операций придётся выполнять дистанционно, с помощью роботизированных систем.
Серьёзный вызов представляет и стоимость сверхпроводящих магнитов, вакуумной камеры, системы охлаждения и других сложных компонентов. При этом реактор должен быть способен работать не отдельными экспериментальными импульсами, а практически непрерывно, обеспечивая стабильную выработку электроэнергии.
Особенно сложной проблемой являются быстрые нейтроны с энергией около 14 МэВ, которые образуются в D–T реакции. В отличие от заряженных частиц, они не удерживаются магнитным полем и непосредственно покидают плазму, направляясь к стенкам реактора. При этом они передают свою энергию материалам конструкции и постепенно повреждают их. Поэтому будущая электростанция должна иметь специальные защитные и конструкционные материалы, способные выдерживать длительное воздействие такого нейтронного потока.
Таким образом, главная проблема современной термоядерной энергетики заключается уже не только в том, чтобы «зажечь» плазму. Физика термоядерного синтеза в принципе доказана. Теперь необходимо доказать, что реактор можно превратить в надёжную, долговечную и экономически конкурентоспособную электростанцию.
Именно этот переход — от успешного физического эксперимента к полноценной инженерной системе — является сегодня главным барьером на пути коммерческого термоядерного синтеза.
Фото: ajunews EAST — китайский работающий термоядерный реактор
На каком этапе находится Китай?
Китай сегодня входит в число мировых лидеров в области термоядерного синтеза. В отличие от многих стран, которые сосредоточены на отдельных экспериментальных установках, Китай последовательно создаёт целую технологическую цепочку — от исследования плазмы до будущего энергетического реактора.
Краеугольным камнем китайской термоядерной программы стал экспериментальный токамак EAST, расположенный в Хэфэе. Установка работает с 2006 года и используется для изучения поведения сверхгорячей плазмы, систем нагрева и удержания, сверхпроводящих магнитов и материалов, которые могут применяться в будущих термоядерных реакторах. EAST не производит электроэнергию, однако именно на нём Китай последовательно отрабатывает технологии, необходимые для перехода к следующему поколению установок.
Следующим этапом должен стать BEST — Burning Plasma Experimental Superconducting Tokamak. Его строительство началось в 2023 году, а завершение ожидается примерно в 2027 году. В отличие от EAST, BEST создаётся уже как установка для исследования так называемой горящей плазмы, в которой значительная часть энергии для поддержания реакции должна поступать от самого термоядерного синтеза. Китай ставит перед BEST гораздо более амбициозную задачу — приблизиться к положительному энергетическому балансу и продемонстрировать получение электроэнергии примерно к 2030 году.
Следующее звено китайской программы China Fusion Engineering Test Reactor — это уже не просто экспериментальный токамак, а проект инженерного термоядерного реактора, который должен стать промежуточным этапом между экспериментальными установками и полноценной электростанцией. На CFETR планируется отработать самые проблемные технологии: производство трития из лития, работу защитного бланкета, материалы, способные выдерживать интенсивное нейтронное облучение, отвод тепла, дистанционное обслуживание и длительную работу реактора.
Главное отличие китайского подхода от американского в том, что Китай пытается построить не отдельный экспериментальный аппарат, а полноценную технологическую цепочку, которая в перспективе должна привести к коммерческой генерации. Страна одновременно инвестирует в сверхпроводящие магниты, высокотемпературные сверхпроводники, материалы для реакторов, лазерный и инерциальный синтез, технологии производства и обращения с тритием. Это особенно важно, поскольку будущая термоядерная энергетика потребует огромного количества специализированного оборудования и материалов.
По темпам развития Китай сегодня сопоставим с США, хотя стратегии двух стран различаются. Американские компании, такие как Commonwealth Fusion Systems, делают ставку на компактные частные реакторы нового поколения и рассчитывают значительно сократить сроки от эксперимента до коммерческой установки. Китай идёт более последовательным государственным путём, постепенно переходя от EAST к BEST и затем к CFETR.
Заявленная Китаем цель — начать демонстрацию производства электроэнергии на основе термоядерного синтеза примерно к 2030 году. Потребуется ещё решить проблемы долговечности материалов, воспроизводства трития, непрерывной работы, обслуживания реактора и стоимости получаемой энергии.
Но если ВEST действительно выйдет на заявленные параметры в конце 2020-х — начале 2030-х годов, Китай окажется среди главных претендентов на создание первой в мире демонстрационной термоядерной электростанции. Пока Поднебесная примерно на той стадии, на которую США и частные компании типа Commonwealth Fusion Systems рассчитывают выйти в конце 2020-х — начале 2030-х годов.