На днях Китайская национальная ядерная корпорация (CNNC) подтвердила верность амбициозному плану зажечь к 2050 году в стране множество «искусственных солнц» — запустить коммерческие электростанции на термоядерной энергии. Для этого ещё 29 декабря 2023 года была создана государственная компания China Fusion Corp, которая собирает инвестиции на проекты и ведёт разработку необходимых технологий.

Модель перспективного термоядерного реактора China Circulation II. Источник изображения: Bloomberg

Информационное агентство Bloomberg со ссылкой на заявление CNNC сообщило, что коммерческая эксплуатация первого проекта по производству электроэнергии может стартовать примерно через пять лет после демонстрационного этапа, который начнется примерно в 2045 году. Очевидно, что на этом пути Китай имеет намерение обогнать США и другие страны по количеству термоядерных реакторов.

Общеизвестно, что управляемый термоядерный синтез очень сложно осуществлять на постоянной основе, и лишь горстке стран, таких как США, Россия и Южная Корея, удалось освоить основы. Считается, что термоядерный синтез несёт с собой относительно мало радиоактивных отходов и обещает достаточно чистую и условно бесконечную энергию.

За прошедший год компания China Fusion привлекла около 1,75 млрд юаней ($240 млн) инвестиций от CNNC и Zhejiang Zheneng Electric Power для создания ультрасовременных реакторов типа токамак, которые используют магнитные поля для удержания и контроля перегретой плазмы. CNNC также планирует в течение следующих пяти лет расширить разработку обычных атомных реакторов (деления) и небольших модульных реакторов, сообщил на брифинге в минувшую пятницу заместитель генерального директора компании Синь Фэн (Xin Feng).

Пока термоядерные реакторы существуют лишь в смелых проектах, Китай намерен наращивать количество обычных АЭС в стране. С 2022 года ежегодно утверждаются к строительству по 10 новых реакторных блоков. Этот темп сохранится как минимум до 2030 года. Это позволит Китаю обогнать США и Францию по общему количеству реакторов в стране и защитит от потенциального дефицита электроэнергии.

Стартап Helion Energy сообщил, что выбрал участок для строительства первой в США термоядерной электростанции. Документы на площадку ещё не подписаны. Для запуска процесса предстоит получить одобрение местной общины, встреча с представителями которой состоится в марте. Разработчик уверен в своём выборе и скорейшем одобрении проекта, поскольку рассчитывает начать строительство уже этим летом.

Источник изображения: Helion Energy

Площадка выбрана в городе Малага, штат Вашингтон. Руководство компании в марте проведёт презентацию проекта и ответит на вопросы представителей общины. Поскольку термоядерные реакторы считаются практически безопасными и производят незначительное количество радиоактивных отходов (и это не отработанное топливо, а преимущественно оболочка рабочей камеры), компания не ожидает сложностей с согласованием. Более того, округ получит дешёвую электроэнергию и дополнительные поступления в бюджет.

Интересно, что выработка электроэнергии реактором Helion рассматривается как приятное дополнение. Главной продукцией синтеза должен стать изотоп гелий-3 — топливо для термоядерных реакторов. Реактор Polaris, прототип которого был завершён в начале осени 2024 года, сможет ежегодно вырабатывать до 20 тонн гелия-3. При этом его электрическая мощность составит 50 МВт, и на её покупку уже заключён контракт с компанией Microsoft. Фактически будущая электростанция в Малаге будет обслуживать серверы этого технологического гиганта.

Компания Helion Energy смело смотрит в будущее и уверена, что сможет реализовать проект в 30-х годах. Конструкция реактора Polaris (это уже восьмой прототип) — одна из самых уникальных и новаторских. Для съёма энергии планируется использовать эффект электромагнитной индукции: динамика плазмы в магнитном поле внутри реактора будет воздействовать на магнитное поле внешних магнитов, генерируя электричество во внешних обмотках. Никаких тепловых съёмников и турбин — всё максимально просто, компактно и с минимальным количеством узлов.

На этих инновациях Helion Energy собрала миллиарды инвестиций. Только в январе 2025 года компания привлекла очередной пакет финансирования в размере $425 млн. По итогам нового раунда капитализация Helion выросла до $5,245 млрд. Успешная компания верит в себя и в свои технологии и заражает этой уверенностью партнёров.

Молодая европейская компания Proxima Fusion представила проект термоядерного реактора Stellaris, запуск которого обещает осуществить в течение ближайших шести лет. Компанию организовали физики, ранее работавшие над проектом немецкого стеллатора Wendelstein 7-X. Имея за плечами годы работы в сфере термоядерных реакторов, они уверены в скором успехе, обещая добиться положительной термоядерной реакции уже в 2031 году.

Источник изображений: Proxima Fusion

По словам разработчика, Stellaris станет первой в мире реализацией интегрированной концепции коммерческой термоядерной электростанции, рассчитанной на непрерывную и надёжную работу. Подробно о проекте компания рассказала в свежей статье, опубликованной в журнале Fusion Engineering and Design. В основе проекта лежит передовая вычислительная оптимизация конструкции реактора (включая работу ИИ и нейросетей), высокотемпературные сверхпроводящие (HTS) магниты и квазиизодинамическая (QI) технология стелларатора, что в совокупности приближает термоядерную энергетику к этапу коммерциализации.

Проект Stellaris основан на результатах исследовательского эксперимента Wendelstein 7-X (W7-X) в Германии — самого продвинутого в мире прототипа стелларатора QI, который создал Институт физики плазмы Макса Планка при поддержке Федерального правительства Германии и ЕС. Стоимость проекта составила более €1,3 млрд (около $1,4 млрд).

С помощью прототипа стелларатора Alpha («Альфа») компания Proxima Fusion готова продемонстрировать чистую энергию термоядерного синтеза к 2031 году. В интервью EE Times генеральный директор Proxima Fusion Франческо Скиортино (Francesco Sciortino) отметил, что в течение следующего десятилетия будет проложен чёткий путь к термоядерному синтезу в энергосистеме, что позволит обеспечить энергетическую безопасность Европы и удовлетворить потребности мира в энергии.

Стелларатор и токамак — это одни из старейших и наиболее изученных типов термоядерных установок, каждая из которых представляет собой разновидность реализации термоядерного синтеза с магнитным удержанием. В стеллараторах и токамаках используются мощные магниты, создающие сильное магнитное поле, которое удерживает горячую плазму в определённой конфигурации.

В токамаке применяется симметричная тороидальная вакуумная камера, окружённая магнитными катушками. Важную роль играет также электрический ток, протекающий внутри плазмы и создающий дополнительное магнитное поле. В стеллараторах используется другой подход: удержание плазмы обеспечивается исключительно внешними катушками, без необходимости индуцирования тока внутри самой плазмы. Исторически это достигалось с помощью сложных изогнутых магнитов, что и являлось основной технической сложностью стеллараторов.

В то же время стеллараторы обеспечивают значительно больше степеней свободы и, по сравнению с токамаками, позволяют добиться высокой оптимизации. Хотя на сегодняшний день токамаки лидируют в области термоядерной энергетики, успешное создание стелларатора Stellaris, если Proxima Fusion сдержит обещания, ознаменует начало новой эры в развитии термоядерных технологий.

В компании подчёркивают, что разработка современных стеллараторов во многом зависит от вычислительной оптимизации, которая позволяет быстрее вносить изменения в проект ещё до начала строительства. Proxima Fusion фильтрует возможные концепции проектирования и создаёт суррогатные модели для тестирования с использованием современных методов, включая нейронные сети, основанные на физических законах, и другие технологии машинного обучения.

Такой подход ускоряет разработку, позволяя эффективно исследовать несколько конструкций параллельно. Тем не менее, оптимизация стеллараторов остаётся сложной междисциплинарной задачей, требующей учёта множества факторов в области науки, компьютерного моделирования и физики плазмы. Для достижения наилучших результатов в производстве термоядерной энергии необходимо тщательно анализировать научные и технические компромиссы, что представляет собой серьёзный вызов.

Во многом компактность будущей установки Stellaris будет обеспечена высокотемпературными сверхпроводящими магнитами (HTS). Это станет ключевым нововведением, повышающим эффективность и уменьшающим габариты реактора. Благодаря более мощным магнитным полям HTS-технология позволит значительно сократить размеры установки. Кроме того, по данным Proxima Fusion, HTS-магниты обладают большей стабильностью и менее чувствительны к температурным колебаниям по сравнению с низкотемпературными сверхпроводниками. Это упрощает требования к криогенным условиям и снижает энергопотребление системы.

Чтобы в течение следующего десятилетия внедрить термоядерную энергетику в энергосистему, компания Proxima Fusion активно ищет финансирование, партнёров и работает над получением разрешений от регулирующих органов. К 2027 году компания намерена завершить проектирование «Альфы» — первого в мире термоядерного устройства, демонстрирующего коэффициент Q>1 (чистую выработку энергии) в стабильном состоянии. В настоящее время ведётся сбор средств для создания прототипа модели Stellaris.

20 января 2025 года китайский экспериментальный термоядерный реактор EAST установил новый рекорд по удержанию электронной плазмы. Реакция поддерживалась 1066 секунд, что без малого в три раза дольше предыдущего рекорда. Почти всё это время температура плазмы была в районе 100 млн °C, что в шесть раз больше, чем в ядре нашей звезды. Недавно реактор завершил очередной этап модернизации и готов к новым рекордам.

Experimental Advanced Superconducting Tokamak снаружи. Источник изображения: SCMP

Предыдущий рекорд реактор EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak или токамак HT-7U), расположенный в городе Хэфэй провинции Аньхой, установил в апреле 2023 года. Тогда термоядерная реакция на установке поддерживалась 403 секунды с температурой плазмы 100 млн °C. Увеличение времени непрерывной работы реактора до 1000 секунд считается ключевым для достижения последующих целей как по увеличению времени поддержки высочайшей температуры плазмы, так и по повышению верхнего предела температуры.

Для запуска термоядерной реакции в Солнце сверхвысокие температуры не нужны. В ядре звезды «всего» 15 млн °C. Для сближения ионов водорода и запуска синтеза гелия ядра атомов должны сблизиться до включения в работу сильного ядерного взаимодействия, преодолев электрическое отталкивание. Кроме температуры в этом помогает сильная гравитация — масса самого Солнца (это воздействие также эквивалентно давлению). На Земле в камере реактора развить такое давление невозможно, поэтому приходится «давить» на ядра повышением температуры. И заявленные китайскими учёными 100 млн °C мало для запуска реакции на Земле.

Во всех предыдущих случаях речь шла о температуре электронной плазмы. В связи с рекордами китайских термоядерных установок об ионной плазме никогда отдельно не сообщалось. В то же время до 100 млн °C необходимо нагреть именно ионную плазму — это лишённые электронов ядра, которые, собственно, и вступают в реакцию синтеза. По каким-то причинам китайская сторона не спешит рассказывать о рекордах в разогреве ионной плазмы.

И всё же, новая планка высоты взята. Почти 18 минут реактор EAST поддерживал в камере температуру 100 млн °C. Это важно как с точки зрения поддержания стабильности установки (плазмы), так и с позиций отработки технологий и поиска новых методов работы с реактором, материалами и прочим, без чего невозможно движение вперёд.

Британская компания Tokamak Energy заявила, что разрабатывает новую технологию лазерных измерений, которая имеет решающее значение для контроля экстремальных условий внутри реакторов будущих термоядерных электростанций и доставки чистой энергии в сеть. Для этого плазменный жгут должен оставаться стабильным, что при рабочих температурах свыше 100 млн градусов так просто не проверить.

Источник изображений: Tokamak Energy

Контролировать качество плазмы в реакторе — её плотность и температуру — предложено с помощью новой лазерной системы дисперсионного интерферометра. Сейчас она работает на испытательном стенде в штаб-квартире Tokamak Energy в Оксфорде, прежде чем позже в этом году будет установлена на прототипе сферического термоядерного реактора компании — установке ST40.

«Измерение плотности плазмы является ключом к нашему пониманию и контролю термоядерного топлива и эффективной работе будущих электростанций, — сказал физик плазмы сотрудник Tokamak Energy Тадас Пираджиус (Tadas Pyragius). — Лазерный луч, пропускаемый через плазму, взаимодействует с электронами и сообщает нам плотность топлива, что важно для поддержания условий термоядерного синтеза и безопасной подачи энергии в сеть».

«Экстремальные условия, создаваемые процессом термоядерного синтеза, означают, что нам необходимо усовершенствовать технологию лазерной диагностики уже сейчас, чтобы продвигаться вперёд в выполнении нашей миссии по обеспечению чистой, безопасной и доступной термоядерной энергии в 2030-х годах».

В прошлом году компания Tokamak Energy успешно ввела в эксплуатацию на установке ST40 лазерную диагностику на эффекте томсоновского рассеяния для получения подробных показаний температуры и плотности плазмы в определенных местах. В дополнение к этому новая система дисперсионного интерферометра будет определять среднюю плотность по всему плазменному жгуту. Компания утверждает, что это будет простой, надёжный и безотказный способ контроля качества плазмы в реакторе, который обязательно найдёт применение в будущих электростанциях.

Визуализация проекта ST80-HTS

Добавим, компания Tokamak Energy объявила в феврале 2022 года, что к 2026 году построит новый прототип сферического токамака — ST80-HTS, который будет располагаться в кампусе Управления по атомной энергии Великобритании в Калхэме, недалеко от Оксфорда. Следующим шагом станет создание экспериментальной термоядерной установки ST-E1, которая должна будет в начале 30-х годов продемонстрировать способность вырабатывать до 200 МВт чистой электроэнергии. За этим последует запуск коммерческих термоядерных установок мощностью 500 МВт «в середине 2030-х годов».

В декабре 2022 года учёные из Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса (LLNL) на установке NIF впервые добились термоядерного воспламенения — самоподдерживающейся реакции термоядерного синтеза, которая дала больше энергии, чем было потрачено на её запуск. Учёное сообщество с предельной осторожностью отнеслось к работе. Экспертная оценка длилась около года, и только недавно поддержала выводы авторов: термоядерный синтез с помощью лазеров работает.

Источник изображения: Jacob Long/Lawrence Livermore National Laboratory

Эксперты оценили пять работ учёных LLNL, представленных для публикации в одном из престижных для физиков журнале Physical Review Letters. Все выкладки авторов работ были перепроверены независимыми специалистами. Цифры сошлись. В том теперь уже историческом эксперименте в начале декабря 2022 года на капсулу с топливом было подано 2,05 МДж энергии, а высвободилось 3,15 МДж, что примерно в 1,5 раза больше. Учёные около 50 лет шли к этой цели, что можно назвать переломным моментом в освоении термоядерной энергии синтеза.

Позже, в середине 2023 года, после улучшения капсулы с топливом, изменения объёма самого топлива, условий зажигания и оптимизации лазеров, был получен ещё лучший выход: 3,88 МДж при той же энергии входа. Это стало наивысшим на сегодняшний день достижением в сфере инерциального термоядерного синтеза, когда почти две сотни мощных лазеров (192 шт.) были сфокусированы на специальной капсуле с 220 мкг смеси дейтерия и трития. Вокруг топлива было создано давление до 600 млрд атмосфер и температура 151 млн °C. И это привело к запуску самоподдерживающейся реакции синтеза, когда атомы водорода сливались и изливали в пространство энергию вместе с атомами новорожденного гелия и нейтронами.

Опубликованные в журнале Physical Review Letters работы можно найти здесь, здесь, здесь, здесь и здесь. О практической ценности исследования говорить очень и очень рано. На самом деле, на запуск и поддержание в работе лазеров в процессе эксперимента ушло на два порядка энергии больше, чем высвободилось в процессе синтеза. Для нас главное, что инерциальный метод термоядерного синтеза доказал свою работоспособность и в будущем может стать основой для запуска управляемых термоядерных реакций.

Китайская национальная ядерная корпорация (CNNC) сделала значительный шаг на пути к созданию «искусственного солнца», то есть к управляемой реакции ядерного синтеза. Установка HL-2A типа токамак впервые сгенерировала плазму с током силой более 1 млн ампер или 1 МА в режиме улучшенного удержания (H-режим).

Источник изображений: China National Nuclear Corporation

CNNC подтвердила успешную работу установки HL-2A в режиме улучшенного удержания, в котором можно добиться значительного роста температуры и плотности плазмы. Это является ключевым этапом в разработке управляемого ядерного синтеза, который, по мнению учёных, может предоставить миру безопасную, экологически чистую и практически неограниченную энергию. В отличие от ядерного расщепления, используемого в современных атомных станциях, синтез производит меньше радиоактивных отходов.

CNNC также отметила, что новый реактор успешно преодолел ключевые технические трудности, связанные с использованием более мощной системы нагрева и передового отводящего устройства. Устройство было разработано в Юго-Западном институте физики в Чэнду (SWIP).

Китайское «искусственное солнце» нового поколения демонстрирует поразительные результаты в области ядерного синтеза

Однако HL-2A не является первым устройством, способным генерировать и поддерживать экстремально горячую плазму. В апреле Экспериментальный передовой суперпроводящий токамак — установка тороидальной формы, предназначенная для магнитного удержания раскалённой плазмы с целью реализации термоядерного синтеза — установил новый рекорд, поддерживая плазму почти 7 минут.

Ученые по всему миру работают над созданием подобных «искусственных солнц», которые генерируют энергию, нагревая атомы водорода до температур выше 100 млн градусов Цельсия, чтобы те соединялись друг с другом. Основная проблема заключается в контроле этого процесса, чтобы реактор не расплавился.

Китай также активно участвует в проекте Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) во Франции в сотрудничестве с Евросоюзом, Индией, Японией, Южной Кореей, Россией и США. Страна стремится к самодостаточности в области энергетики, и ядерная энергия играет в этом ключевую роль.

По данным Всемирной ядерной ассоциации (WNA), Китай утроил свою ядерную мощность за последнее десятилетие. С 2011 по 2022 год Китай подал больше патентов на технологию ядерного синтеза, чем любая другая страна.