Главная бухгалтерская служба США (GAO, аналог российской Счётной палаты) опубликовала в марте 2023 года отчёт GAO-23-105813, в котором проанализировала текущее состояние работ по термоядерному синтезу в этой стране.
Исследования в области синтеза получают в США госбюджетную поддержку, начиная с 1951 года, и масштабы этой поддержки постепенно нарастают. Так, в 2022 финансовом году в общей сложности на нужды термоядерных проектов было выделено порядка 1,6 миллиарда долларов.
Частный капитал также охотно вкладывает средства в проекты по синтезу. В 2022 году ассоциация термоядерной промышленности (Fusion Industry Association) сообщила, что американские компании, работающие в этой области, гарантировали себе свыше 4,7 миллиарда долларов частных инвестиций.
Несмотря на столь большую поддержку, термоядерщики по-прежнему не в состоянии дать сколь-либо точный прогноз по выходу технологий синтеза на коммерческий уровень развития.
Более того, очень сильно расходятся друг с другом прогнозы по достижению термоядом хотя бы уровня технической возможности выступать в качестве энергоисточника. Оптимисты полагают, что это случится через 10 лет, в более пессимистичных прогнозах говорится о нескольких десятилетиях.
Для иллюстрации аудиторы привели в отчёте несколько оценок, данных различными организациями:
- научно-консультативный комитет по энергии синтеза (Fusion Energy Sciences Advisory Committee, консультирует Минэнерго США) в 2020 году предположил, что термоядерная энергетика станет коммерчески целесообразной в середине 2040-ых годов;
- национальная академия наук США в 2021 году спрогнозировала появление демонстрационной термоядерной электростанции в 2035-2040 годах;
- в 2022 году министерство энергетики США заявило, что термоядерная энергетика появится "в пределах десятилетия", то есть, первая термоядерная станция должна быть подключена к сети в начале 2030-ых годов;
- ряд стран считает, что демонстрационные термоядерные станции начнут производство электроэнергии на горизонте 2050 года;
- ассоциация термоядерной промышленности ссылается на мнения некоторых частных компаний, в соответствии с которым термоядерная энергетика станет коммерчески целесообразной в период 2031-2035 годов.
Аудиторы признают, что по термоядерному направлению в последние годы достигнут определённый прогресс.
Так, они ссылаются на эксперимент на американском национальном комплексе лазерных термоядерных реакций (NIF), где в конце 2022 года был достигнут QScientific больше единицы.
Однако аудиторы логично обращают внимание, что для энергетики требуется превышение над единицей параметра QEngineering. Иными словами, выход энергии в термоядерной реакции должен превышать все энергозатраты установки.
На комплексе NIF достигнутый QEngineering не превышает значения 0,01, и с точки зрения энергетики данный комплекс не имеет смысла. Аудиторы добавляют, что проект NIF не преследовал цели достижения энергетической эффективности, и для возможных будущих лазерно-термоядерных станций потребуются другие, более эффективные лазеры. В эксперименте на NIF было затрачено примерно 300 МДж и получено порядка 3 МДж
Отдельная глава отчёта аудиторов GAO посвящена перечислению основных научных и инженерных проблем, сдерживающих развитие термоядерной энергетики.
Недостаток данных о поведении пылающей плазмы. Пылающая плазма (burning plasma) - плазма, реакция в которой поддерживается, в основном за счёт образующихся в процессе реакции α-частиц. Как минимум, некоторые аспекты её поведения на сегодняшний день изучены плохо.
Один из таких аспектов связан с образованием турбулентности в пылающей плазме. Для её моделирования приходится учитывать множество координат и скоростей частиц.
Современные компьютеры и коды позволяют достигать высокой точности моделирования, однако отсутствие некоторых экспериментальных данных не даёт возможности надёжно верифицировать расчётные инструменты.
Кроме того, учёные не могут быть полностью уверенными в том, что пылающая плазма будет вести себя именно так, как предсказывается расчётами, а не иначе.
До настоящего времени исследования по физике плазмы были сконцентрированы на плазме, нагреваемой внешним источником. По состоянию на март 2023 года, пылающая плазма в США была получена только на комплексе NIF. Соответственно, понимание поведения пылающей плазмы основывается сейчас, в основном, на теоретических предсказаниях, которые могут быть неполными или вовсе ошибочными.
Отсутствие необходимых конструкционных материалов. Материалы - то, что блокирует развитие многих перспективных проектов, и термоядерная энергетика здесь не исключение.
Конечно, для стадии НИР и даже НИОКР материалы имеются в наличии. Однако их прямой перенос в коммерческую термоядерную энергетику не имеет смысла, так как эти материалы слишком быстро деградируют или отказывают при работе в условиях, характерных для термоядерных установок.
Требуется подобрать или разработать конструкционные материалы, способные служить на термоядерных электростанциях на протяжении многих месяцев или более. Иначе слишком частые остановы станций для замены конструкционных элементов подорвут её экономику.
Задача по поиску новых материалов не выглядит простой для решения. В термоядерных установках материалы подвергаются воздействию сверхвысоких температур до 150 миллионов градусов Кельвина, а также облучению ионами гелия и высокоэнергетическими нейтронами.
На сегодняшний день не известно ни одного материала, способного сохранять свои свойства при одновременном воздействии всех трёх перечисленных факторов на протяжении срока, требующегося для термоядерной энергетики (как уже сказано, это месяцы или, как считают в академии наук США, один год).
Лополнительную сложность создаёт отсутствие экспериментальных возможностей для испытаний материалов в условиях, близких к тем, что будут на термоядерной станции. Предложения по строительству новых экспериментальных установок есть, но их надо реализовывать, а на их сооружение и ввод в эксплуатацию уйдут годы.
Трудности с извлечением энергии, выделяющейся в термоядерных реакциях. Очевидно, что для создания термоядерной энергетики потребуется разработать надёжные и экономически целесообразные системы отвода выделяемой в плазме энергии и конверсии её в электроэнергию.
Попутно придётся решать и многие другие технические задачи. Одна из таких задач - удаление побочных продуктов термоядерных реакций. Их присутствие в плазме может снижать эффективность установки в целом, но их удаление будет сопровождаться удалением части энергии, необходимой для поддержания термоядерной реакции. Иными словами, потребуется найти какое-то компромиссное решение.
Сложности и опасности тритиевого цикла. Переход на топливо "дейтерий - тритий" поставит множество вопросов самого разного плана, начиная от источников трития (сейчас мировые поставки трития слишком малы, чтобы говорить о серьёзной термоядерной энергетике) и кончая вопросами безопасности.
По текущим прогнозам, в 2027 году в мире будет доступно около 27 кг трития, львиную долю из этих запасов заберёт демонстрационный реактор ITER. Для сравнения, гипотетическая термоядерная электростанция мощностью 1 ГВт(э) будет потреблять до 56 кг трития в год.
Таким образом, необходимо иметь в распоряжении технологию бланкетов для наработки трития в термоядерных реакторах. Коммерчески пригодной технологии таких бланкетов до сих пор не разработано.
Помимо технических проблем, аудиторы GAO отметили в своём отчёте и иные сложности. Так, усилия государственных и частных структур в США, занимающихся термоядом, не полностью скоординированы друг с другом.
Сохраняется неопределённость с нормативной базой для регулирования термоядерных электростанций, причём устранить имеющиеся неоднозначности и белые пятна достаточно трудно.
Ко всему прочему, практически нет понимания того, как к термоядерной энергетике отнесутся население, активисты и политики. Вопрос не праздный и требует ответа уже сейчас, потому что если отношение окажется негативным, то расширение господдержки работ по синтезу будет невозможно.
В заключительной части отчёта аудиторы дали свои рекомендации лицам, принимающим в США решения, однако они носят слишком общий характер и сводятся к двум вариантам - оставить всё как есть или расширить поддержку работ в области термояда.
В первом случае поиск решений перечисленных выше и возможных новых блокирующих проблем затянется "на многие годы" со всеми вытекающими отсюда последствиями для термоядерного направления.
Во втором случае можно надеяться на ускоренное развитие термоядерного направления, но потребуются ресурсы (финансовые, человеческие и т.п.), а также потребуется разрешать конфликты между различными участниками, определять более перспективные варианты синтеза и, в конце концов, выяснить, что о термоядерной энергетике в США думают обшественность и политики.
