Не, енергията от термоядрения синтез няма да бъде безгранична

През месец декември миналата година учените от Националния комплекс за лазерни термоядрени реакции на Съединените щати (National Ignition Facility) достигнаха до изключително важен за термоядрената индустрия момент, който получи името Момента на Братя Райт. При този вид термоядрен синтез се нагрява малка капка гориво, съставена от деутерий и тритий, която е поставена в миниатюрна капсула от злато. Тя се обстрелва с мощни лазерни лъчи, които се преобразуват в рентгеново излъчване и мигновено нагряват капсулата до 100 милиона градуса по Целзий, като едновременно с това горивото се оказва под налягане от над 100 милиарда атмосфери и се превръща в плазма. 

За първи път в историята термоядрена реакция даде рекордните 1,35 мегаджаула енергия, която е повече от енергията използвана за стартиране на синтеза.

В крайна сметка бе получена 50 повече енергия, отколкото бе подадена към златната капсула във вид на мощни лазерни лъчи. Изведнъж термоядреният синтез, който досега винаги се разглеждаше в една 30-годишна перспектива, започна да изглежда по-близък. Но не чак толкова близък, защото нещата бяха представени в твърде благоприятна светлина.

КПД на най-популярните лазери

Изпуснато бе нещо много важно – изчисленията са направени само за енергията на лазерния лъч. Като се има предвид, че коефициентът на полезно действие и на най-съвременните лазери е твърде нисък, цялата използвана за разпалването на тази термоядрена енергия е много, много по-голяма. Все още има много какво да се разбере за това как да се използва енергията от термоядрен синтез за производство на електроенергия. Но резултатът напомни за отдавнашните прогнози, че термоядреният синтез ще реши всички енергийни проблеми на човечеството.

Стартъпите, работещи в областта на термоядрения синтез, се радват на засилен интерес от страна на инвеститорите през тази година. Правителството на САЩ наскоро обяви, че ще отпусне рекордните 1,4 млрд. долара за финансиране на научни изследвания, с което ще започне 10-годишен път към практическия термоядрен синтез. Потенциалните ползи са огромни: ако се справим с науката, термоядреният синтез ще отключи “ неограничената чиста енергия“.

В много отношения този израз е верен. Просто погледнете нагоре към горящото кълбо в небето. Предстоят му още пет милиарда години. Различни национални програми, голямата международна програма, наречена ITER (Международен термоядрен експериментален реактор), и поне 40 частни компании се опитват да възпроизведат този процес тук, на Земята. Целта е да се притиснат два атома един към друг – обикновено това са атомите на водорода, в резултат от което се образува хелий, като при този процес се губи малко маса, която се освобождава във вид на енергия според знаменитата формула E=mc². Ето защо може да се твърди, че енергията от термоядрения синтез е също толкова безгранична, колкото са безгранични атомите на водорода във Вселената.

Само че по същата логика вятърните електроцентрали и слънчевите панели също могат да бъдат разглеждани като неизчерпаеми, безкрайни потоци от налягане на водата, вятъра и фотоните.

Но разбира се, на практика те са ограничени от редица практически съображения. Необходими са съответните разрешения от властите. Финансиране. Конструкции, инфраструктура, логистика, необходима за производството например, на перките на вятърните турбини и на компонентите на слънчевите панели. Необходими са и сложни електропреносни мрежи, които трябва да осигурят нормална работа дори и в най-лошо време. И други подобни.

Ето защо с развитието на тази област някои експерти започнаха да проучват вероятните практически и икономически ограничения на термоядрения синтез. Сегашните констатации показват, че енергията от термоядрения синтез няма да бъде евтина и със сигурност няма да бъде най-евтиният източник на електроенергия през следващите десетилетия, тъй като в електропреносната мрежа в целия свят се появява все повече слънчева и вятърна енергия. Но термоядреният синтез все пак би могъл да намери своето място, тъй като енергийната система се нуждае от енергия в различни форми и по различно време.

„Чудя се как, по дяволите, термоядреният синтез изобщо би могъл икономически да се конкурира с изумителния напредък в областта на възобновяемата енергия“ – Джейкъб Шварц, физик в Лабораторията по физика на плазмата в Принстън.

Това бе въпросът, който вдъхнови прехода от работата по детайлите на термоядреното инженерство към икономиката на енергийните системи.

В статия, публикувана в списание Joule, Шварц и неговите колеги използват сложния модел на енергийната система на САЩ за периода 2036-2050 г., за да проучат условията, при които би било икономически изгодно да се построят 100 гигаватови термоядрени електроцентрали, достатъчни за захранването на около 75 милиона домове. И така, колко би струвала и колко възможно най-евтина би трябвало да бъде една термоядрена електроцентрала, за да я използваме?

Резултатите показаха, че отговорът може да варира в широки граници в зависимост от цената и комбинацията от други енергийни източници в декарбонизираната електрическа мрежа, като например възобновяемите енергийни източници, атомните електроцентрали или газовите централи с устройства за улавяне на въглерод. В повечето сценарии термоядреният синтез вероятно ще заеме ниша, много подобна на тази, която днес заема доброто старо ядрено делене, макар и без същите проблеми с безопасността и отпадъците.

И двете системи по същество са гигантски и използват много специализирано оборудване за извличане на енергия от атомите, за да може тя да загрява вода и да захранва парни турбини, което означава високи първоначални разходи. Но въпреки че произвежданата от тях енергия може да бъде по-скъпа от тази от възобновяеми източници като слънчевата енергия, тази електроенергия е чиста и надеждна и не зависи от това, кое време на денонощието е и какви са климатичните условия.

И така, ще може ли термоядреният синтез да се конкурира при тези условия? Целта на проучването не бе да се оценят разходите за един реактор. Но добрата новина е, че Шварц е успял да открие поне един проект, който може да произвежда енергия на конкурентна цена: Aries-AT – сравнително подробен модел на термоядрена електроцентрала, разработен от физици от Калифорнийския университет в Сан Диего в началото на 2000 г. Шварц предупреждава, че това е само една от точките за сравнение и че другите термоядрени електроцентрали може да имат различни ценови профили или да се вписват в енергийната система по по-различен начин в зависимост от начина на използването им.

Освен това географското положение ще има значение. Например, по източното крайбрежие на САЩ, където възобновяемите енергийни източници са ограничени, а преносът е труден, моделирането показва, че термоядреният синтез може да бъде полезен при по-високи разходи, отколкото на запад. Като цяло, той казва, че е справедливо да си представим бъдеще, в което термоядреният синтез става част от „разнообразния енергиен микс“ на енергийната система на САЩ.

В по-ранен анализ от 2021 г. Самюъл Уорд, физик от Университета в Йорк по това време, и колегите му са по-предпазливи. Те описват редица сценарии, които биха могли да изместят термоядрения синтез, някои от които биха могли да бъдат добра новина за света: например вятърната и слънчевата енергия биха могли да свършат по-голямата част от работата по декарбонизацията на енергийната система до появата на термоядрения синтез.

Дори конвенционалните ядрени електроцентрали биха могли да станат по-ефективни с разработването на така наречените „малки модулни реактори„, които са проектирани да бъдат по-евтини за изграждане. Освен това, казва Уорд, който сега работи в Технологичния университет в Айндховен, Нидерландия, прогнозите за разходите за термоядрен синтез включват материали и вериги за доставки, които в редица случаи все още не съществуват.

„По принцип всичко се свежда до голяма степен на неопределеност. Това е коварно усещане, особено когато хората излагат идеята за „Светия Граал“ или „безграничната“ енергия. Те използват тези думи, но аз не мисля, че това е от полза за термоядрения синтез.“

Не е изненадващо, че компаниите, занимаващи се с термоядрен синтез, се стремят да обяснят защо техните разработки не само ще променят физиката на термоядрения синтез, но и ще бъдат уникални в икономически смисъл. Предложените реактори могат да бъдат разделени на две категории: едната, известна като токамак, използва мощни магнити за удържане на плазмата. В другия се използва подход, наречен инерционно задържане, който има за цел да разбие целта и да я зареди с енергия, като я порази с лазер, както в експеримента по запалването на NIF, или с високоскоростни частици.

„Това не е въпрос, който ми задават много често“, казва Мишел Биндербауер, главен изпълнителен директор на TAE Technologies, когато го питат за икономическата организация на компанията му.

Хората са по-склонни да го питат как планира да загрее плазмата в своя реактор до 1 милиард градуса по Целзий, в сравнение със 75-те милиона, които компанията е демонстрирала досега. Но тези въпроси са взаимосвързани, казва той.

Тази екстремна температура е необходима, защото TAE Technologies използва химическия елемент бор като гориво заедно с водород, което според Биндербауер в крайна сметка ще опрости реактора за термоядрен синтез и ще доведе до по-евтиното изграждане на електроцентрали. Той оценява разходите някъде между класическия термоядрен синтез и възобновяемите енергийни източници – приблизително там, където според създателите на математически и компютърни модели от Принстън трябва да бъдат. Той посочва, че докато изграждането на термоядрени електроцентрали ще бъде скъпо, горивото ще бъде изключително евтино. Освен това по-ниският риск от аварии и по-малкото количество високоактивни отпадъци би трябвало да означават освобождаване от скъпоструващите разпоредби, които увеличават разходите на електроцентралите за ядрен синтез.

Никълъс Хоукър, главен изпълнителен директор на First Light Fusion, компания за инерционен термоядрен синтез, публикува свой собствен икономически анализ на енергията от термоядрен синтез през 2020 г. и с изненада установи, че най-големите разходи не са свързани с термоядрената камера и нейните необичайни материали, а с кондензаторите и турбините, необходими във всяка една електроцентрала.

Въпреки това Хоукър очаква по-бавен растеж на този тип електроцентрали в сравнение с някои свои колеги. „Първите електроцентрали ще се развалят през цялото време“, казва той, „и отрасълът ще се нуждае от значителна правителствена подкрепа – точно както това се случи със соларната индустрия през последните две десетилетия“.

Ето защо той счита, че е добре, че много правителства и компании опитват различни подходи: това увеличава шансовете, че някои от технологиите ще оцелеят.

За термоядрения синтез обаче на първо място е науката. Възможно е скоро да не проработи. Може да отнеме още 30 години. Но Уорд, въпреки своята предпазливост по отношение на ограниченията на термоядрения синтез в електропреносната мрежа, все пак вярва, че изследванията вече се възвръщат, генерирайки нови постижения във фундаменталната наука и в създаването на нови материали. „Все още смятам, че си заслужава„, казва той.