За последние десятилетия Китай резко увеличил инвестиции в исследования по изучению термоядерного синтеза. По приблизительным оценкам, среднегодовой объем финансирования термоядерных проектов в Поднебесной достигнет 1,5 миллиарда долларов США и почти в два раза превысит показатель Соединенных Штатов Америки. Текущий пятилетний план китайского правительства предусматривает, что комплексные исследовательские объекты для ключевых термоядерных проектов станут основным приоритетом для национальной научно-технической инфраструктуры.

Как отметил Jean Paul Allain, заместитель директора Управления по термоядерным энергетическим наукам Министерства энергетики США в Вашингтоне, помимо финансовой составляющей, огромное значение имеет скорость реализации проектов, которую демонстрируют китайские ученые. «За 25 лет Китай прошел путь от стороннего наблюдателя до страны, обладающей передовыми возможностями в сфере термоядерного синтеза», – считает Dennis Whyte, ученый-атомщик из Массачусетского технологического института в Кембридже.

Для изучения термоядерного синтеза чаще всего задействуются токамаки – это специальные установки, по форме напоминающие пончики, в которых протекают такие же ядерные реакции, как и в звездах. Чтобы ограничить петли плазмы (особого состояния вещества, содержащего электроны и ионы), температура которой превышает температуру в ядре Солнца, в токамаках используются магнитные поля. Цель исследований состоит в нахождении способа высвобождения энергии, синтезируемой при объединении атомных ядер. Если поддерживать и контролировать плазму в течение длительного времени, то токамак становится источником практически безграничной чистой энергии.

Одна из подобных установок (экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак – EAST) находится на территории Института физики плазмы Китайской академии наук (ASIPP) в Хэфэе. Его называют «Драконом Гуна», поскольку многочисленными опытами, которые проводятся в токамаке, руководит физик Xianzu Gong. Кропотливая работа по «укрощению плазмы» кипит практически без выходных и праздников. Ежедневно с раннего утра до полуночи ученые запускают около сотни выстрелов плазмы. Для сравнения, крупнейший в мире исследовательский центр по термоядерному синтезу Joint European Torus (JET), находящийся в Калхэме (Великобритания), до своего закрытия в 2023 году вышел на суточный показатель в 20-30 выстрелов плазмы. Токамак EAST является ступенькой на пути к созданию термоядерных электростанций и одним из объектов, которые позволяют Китаю участвовать в глобальной гонке за лидерство в области ядерного синтеза.

Самым масштабным проектом, связанным с термоядерным синтезом, является Международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER), стоимость которого оценивается в 22 миллиарда долларов. Китай входит в число стран, которые финансируют строительство этого гигантского токамака на юге Франции. Необходимо отметить, что в последние годы ряд компаний из США и других стран вложили миллиарды долларов в строительство собственных реакторов, которые, могут дать ожидаемые результаты в виде синтеза термоядерной энергии раньше, чем участники государственных программ.

На 100% неизвестно, удастся ли в обозримом будущем создать термоядерные электростанции, но китайские ученые ставят перед собой амбициозные цели. В 2030-х годах, еще до старта основных экспериментов в ITER, Китай планирует построить собственный испытательный термоядерный реактор (CFETR) с производительностью, достигающей 1 ГВт. Если этот план сработает, то, согласно дорожной карте 2022 года, прототип термоядерной электростанции может появиться в течение следующих нескольких десятилетий. По мнению Yasmin Andrew, физика-плазматика из Имперского колледжа Лондона, Китай придерживается стратегического подхода к финансированию и развитию своей программы термоядерной энергетики, поскольку рассчитывает на долгосрочное лидерство в этой сфере.

На пути к созданию искусственных солнц

Первые эксперименты по изучению возможностей термоядерных реакторов проводились еще в 1950-х годах. Идея, на которой базируются исследования, состоит в объединении двух положительно заряженных и отталкивающихся друг от друга ядер водорода в более крупное гелиевое ядро. Солнечная гравитация обеспечивает достаточное давление для протекания этой реакции, а на Земле необходимо искусственно создать пространство со сверхвысокими температурами и мощными магнитными полями, чтобы получить аналогичный результат. На текущем этапе исследований ученым пока не удалось произвести в рамках поддерживаемой термоядерной реакции больше энергии, чем было израсходовано на ее запуск и поддержание.

В конце 2022 года исследователи из Национального центра зажигания США (NIF), который находится в Ливерморе (штат Калифорния), объявили, что им ненадолго удалось получить больше термоядерной энергии, чем было израсходовано. В ходе эксперимента в альтернативной конструкции токамака было совершено 192 выстрела лазерными лучами в крошечную гранулу дейтерия и трития, что привело к их соединению. Однако, согласно подсчетам, лазеры израсходовали гораздо больше энергии, чем было доставлено к цели. Многие исследователи считают, что наиболее практичным является подход, когда токамак будет удерживать «горящую плазму», в которой за счет реакции термоядерного синтеза выделяется тепло, необходимое для ее поддержания.

Одна из целей ITER, рассматриваемая как важное условие функционирования жизнеспособных термоядерных установок, заключается в создании горящей плазмы, которая производит в десять раз больше энергии, чем расходует. Если ученым удастся это сделать, термоядерный синтез может стать безопасной и экологически чистой альтернативой атомным электростанциям, в которых происходит расщепление тяжелых ядер урана. При этом производятся радиоактивные отходы, которые могут представлять опасность в течение нескольких тысяч лет. Термоядерные реакторы будут производить только отходы с коротким жизненным циклом. Важной особенностью термоядерных реакций является их прекращение в случаях снижения температуры или плотности плазмы. Ожидается, что процесс будет более эффективным, чем деление. Согласно подсчетам Международного агентства по атомной энергии, при термоядерном синтезе удастся сгенерировать в четыре раза больше энергии, чем при делении ядер (в пересчете на килограмм топлива).

Эта перспектива открывает широкие возможности для Китая, где в период с 2020 по 2022 год сразу в нескольких регионах фиксировались массовые отключения электроэнергии из-за резкого всплеска потребления во время холодных зим. Несмотря на значительный прогресс, которого удалось добиться в области возобновляемых источников энергии, Китай по-прежнему вырабатывает более половины своей электроэнергии из угля и остается крупнейшим источником мировых выбросов углерода.

Китай стремится достичь пиковых выбросов к 2030 году и углеродной нейтральности к 2060 году, однако при этом его потребности в энергии могут удвоиться в течение следующих трех десятилетий. «Нам нужны инновации, которые позволят сократить выбросы углерода. Использование термоядерной энергии – одна из таких инноваций», – считает физик Yuntao Song, генеральный директор ASIPP.

Роль Китая в развитии отрасли

Участие Китая в программах по изучению термоядерной энергии началось со строительства нескольких малых и средних токамаков, в которых использовались российские и немецкие компоненты. В 2003 году он присоединился к международному эксперименту ITER вместе с Южной Кореей, Японией, Индией, Россией, США и Евросоюзом. В 2006 году Китай представил EAST, который сумел установить мировые рекорды по поддержанию плазмы в течение нескольких минут (ранее временной интервал измерялся секундами).

«Способность EAST создавать долгоживущую плазму сделало этот токамак своеобразным полигоном для ITER, особенно в части быстрой перекрестной проверки результатов», – отметил Alberto Loarte, возглавляющий научное подразделение ITER. Он также добавил, что научные исследования в Китая являются очень динамичными. Например, в январе 2024 года вместе с коллегами он около недели проводил эксперименты в EAST, чтобы убедиться в надежности внутренней вольфрамовой облицовки стенок реактора, обращенных к плазме. В частности, проводились опыты, позволившие установить, что вольфрам демонстрирует достаточную надежность при высокоплотной плазме даже при отсутствии слоя бора для защиты от примесей. Эти результаты подтверждают целесообразность замены облицовки из бериллия на вольфрам. Во многих странах на организацию подобных исследований ушли бы месяцы, но в Китае можно сократить период проведения работ до нескольких недель, поскольку деятельность исследовательских групп не связана с соблюдением многочисленных формальностей и длительными предварительными обсуждениями.

Первоначально ITER планировал начать эксперименты в 2020 году, но из-за ряда сложностей было принято решение отложить старт основных исследований до 2039 года. Большинство стран, работающих над строительством реактора ITER, параллельно развивают свои внутренние проекты в области термоядерного синтеза, но в большинстве случаев эта деятельность является не такой интенсивной, как в Китае. По словам Jeronimo Garcia Olaya, ученого по термоядерному синтезу из Французской комиссии по альтернативным источникам энергии и атомной энергии в Париже и одного из руководителей экспериментов на крупнейшем действующем токамаке JT-60SA в Наке (Япония), Китай разрабатывает очень амбициозную программу.

Помимо EAST, среди китайских исследовательских термоядерных реакторов можно выделить токамак HL-3, эксплуатируемый с 2020 года в Юго-Западном институте физики в Чэнду. Эксперименты на объектах, расположенных на территории Китая, будут использованы в следующем поколении CFETR, хотя соответствующее строительство требует одобрения правительства. CFETR, по ряду показателей превосходящий ITER, нацелен на преодоление разрыва между экспериментальными и демонстрационными установками, которые будут вырабатывать электроэнергию.

На начальном этапе на CFETR планируется вырабатывать 100-200 МВт чистой энергии (это больше, чем расходуется на нагрев плазмы, но недостаточно для покрытия расходов на электроэнергию, используемую для работы установки). К 2040-м годам планируется вырабатывать в десять раз больше тепла, чем расходуется на поддержание плазмы, что станет важной вехой для жизнеспособного термоядерного синтеза. При этом появится возможность довести выработку чистой энергии до 1 ГВт. Достижение этой цели позволит демонстрационным электростанциям вырабатывать электроэнергию и отдавать ее в потребительскую сеть.

В отчете CFETR по техническому проектированию, который был опубликован в 2022 году, указывалось, что этот объект превосходит несколько демонстрационных электростанций, включая предложенные Японией и Евросоюзом реакторы DEMO, проектирование которых начнется в 2025 и 2029 годах соответственно.

Движущими силами исследований термоядерного синтеза являются не только выдающиеся инженерные инновации, но также высокая скорость разработок и фокусировка на создании материалов, компонентов и диагностических систем, необходимых для строительства реакторов. Чтобы разработать CFETR, ASIPP начала строительство обширной мастерской площадью 40 гектаров (примерно 60 футбольных полей), расположенной в нескольких минутах езды от EAST.

Комплексный исследовательский центр по термоядерным технологиям (CRAFT), который планируется ввести в эксплуатацию в 2025 году, объединит исследователей, разрабатывающих и изготавливающих материалы, компоненты и прототипы для CFETR и термоядерных электростанций следующего поколения.

В Соединенных Штатах Америки в течение нескольких лет шла подготовка к созданию аналогичного центра по разработке ключевых термоядерных технологий, но из-за нехватки финансирования и других проблем планы не были реализованы. Можно сказать, что этот случай подтвердил потерю лидерства американскими учеными, которые специализируются на исследованиях термоядерного синтеза.

По мнению Hongjuan Sun, физика-плазматика, представляющего Управление по атомной энергии Великобритании в Абингдоне, Китай сосредоточил усилия на подготовке следующего поколения квалифицированных кадров в области термоядерного синтеза, что дало стране дополнительные преимущества. Если в Соединенных Штатах насчитывается несколько сотен аспирантов, то в Китае их в десятки раз больше.

Коммерческие проекты

Хотя Китай достиг определенных успехов в своих программах термоядерного синтеза, стартапы по всему миру делают гораздо более смелые заявления о временных рамках коммерциализации термоядерной энергии. Например, Commonwealth Fusion Systems (CFS), подразделение MIT, прогнозирует, что ее токамак SPARC станет первой установкой, которая сможет вырабатывать больше термоядерной энергии, чем потребляется плазмой. Американская компания, базирующаяся в Девенсе (штат Массачусетс) и сотрудничающая с исследователями Массачусетского технологического института, утверждает, что SPARC произведет свою первую плазму к концу 2026 года. Достижения в области высокотемпературных сверхпроводящих материалов обеспечат экономию времени и средств по сравнению с расходами на ITER и другие гигантские объекты. К началу 2030-х годов у CFS появятся профильные предприятия по поставкам электроэнергии. Другие компании делают аналогичные оптимистичные заявления о различных проектах пилотных термоядерных установок.

По данным американской Ассоциации термоядерной промышленности (FIA), в мире в общей сложности насчитывается 40 компаний, работающих над коммерциализацией термоядерного синтеза, которые осваивают инвестиции в размере 7,1 миллиарда долларов. «Китайские стартапы в области термоядерного синтеза за несколько лет привлекли более 500 миллионов долларов инвестиций. Это ставит Китай на второе место после Соединенных Штатов, где вложено более 5 миллиардов долларов в термоядерные компании» – отметил Andrew Holland, генеральный директор FIA.

В январе 2024 года китайское правительство запустило национальный консорциум под названием China Fusion Energy. Он возглавляется Китайской национальной ядерной корпорацией и объединяет 25 государственных компаний, четыре университета и частную фирму. Объединение ресурсов и усилий поспособствует более быстрому достижению целей Китая в сфере термоядерного синтеза.

Одним из самых крупных промышленных предприятий Китая в области термоядерных исследований является ENN Group. По данным FIA, частный энергетический конгломерат инвестировал более 200 миллионов долларов в свою программу термоядерной энергетики. В его планы входит строительство коммерческого демонстрационного реактора к 2035 году.

За последние три года в Китае появилось несколько специализированных термоядерных компаний. Так, в 2021 году о себе заявил шанхайский стартап Energy Singularity, который стал первой в стране специализированной компанией по термоядерной энергетике. Как и SPARC, Energy Singularity ориентируется на строительство небольших и относительно недорогих токамаков на основе новейших магнитных материалов. По состоянию на 2024 год компания привлекла около 110 миллионов долларов финансирования. «В июне в токамаке HH70 при использовании высокотемпературных сверхпроводящих магнитов была впервые получена плазма», – сообщил соучредитель фирмы Zhao Yang.

Energy Singularity уже разрабатывает установку следующего поколения – HH170, которая должна производить в десять раз больше энергии, чем затрачивается на подпитку плазмы. Как и оптимистично настроенные представители американских компаний, Zhao рассчитывает, что строительство небольшого токамака займет три-четыре года вместо нескольких десятилетий.

Одной из насущных проблем термоядерного синтеза является доступность топлива. К числу наиболее эффективных видов топлива для токамаков относится смесь изотопов дейтерия и трития (D-T). Учитывая, что тритий встречается в природе в ничтожно малых количествах, возникает необходимость в его производстве на термоядерных установках посредством реакции между нейтронами, полученными в ходе термоядерных реакций, и слоем лития в стенке токамака. Пока остается неясным, насколько жизнеспособной окажется описанная технология получения трития.

Наряду с ITER, где изучается эта проблема, китайский экспериментальный токамак Burning Plasma Experimental (BEST), который должен быть построен рядом с CRAFT в 2027 году, также будет проводить эксперименты с изотопами для изучения возможностей получения достаточного количества трития.

Yuntao Song считает, что перечисленные достижения и планы можно расценивать как этапы создания технологии, которая станет ключом к решению глобальных энергетических проблем. Если говорить о EAST, то, несмотря на громкие заявления частных фирм, исследовательскую гонку за термоядерную энергию стоит рассматривать как марафон, а не спринт. Ученым предстоит сделать не одну тысячу плазменных выстрелов и проделать огромный объем работы, чтобы совершить прорыв в термоядерной энергетике.

По материалам nature.com