Ассоциация термоядерной промышленности (FIA) опубликовала отчёт о состоянии дел в цепочке поставок для сферы термоядерного производства энергии. В последующие годы рынок оборудования в этой области обещает вырасти в десятки и сотни раз. В то же время опрос показал, что подавляющее большинство поставщиков в цепочке поставок не хотят вкладывать личные средства в расширение производства и ждут твёрдых гарантий для своей деятельности.

Визуализация компактной термоядерной установки ST80-HTS. Источник изображения: Tokamak Energy

В опросе приняли участие 26 частных компаний, разрабатывающих термоядерные реакторы и сопутствующее оборудование, а также 34 компании, занятые в производстве компонентов для термоядерных установок. Все они являются членами Ассоциации термоядерной промышленности. Анализ ответов показал, что в 2022 году расходы энергетиков на цепочки поставок достигли $500 млн. К моменту запуска первых термоядерных электростанций стоимость цепочек поставок вырастет до $7 млрд и выйдет за границы триллионов долларов США после полномасштабного запуска термоядерной энергетики.

В то же время подобная динамика и умопомрачительные цифры будущих доходов не смогли заставить поставщиков немедленно начать расширять производственные мощности. Если отрасль должна встретиться с бурным ростом, очевидно, к этому сначала должны подготовиться поставщики, чего пока не наблюдается. В FIA отмечают, что компаниям-поставщикам нужны твёрдые гарантии для получения в будущем доходов, для чего необходимо предпринять ряд шагов как в частном секторе, так и в государственном.

Примерно 70 % опрошенных среди «термоядерных» разработчиков показали, что их поставщики без наличия постоянных заказов отказываются делать инвестиции в расширение производства. При этом более половины из них подтвердили, что для достижения будущего прогресса вложения необходимы уже сегодня.

«Прогнозируемый рост термоядерной промышленности создает огромные возможности для бизнеса нынешних и новых поставщиков, — сказал генеральный директор FIA Эндрю Холланд (Andrew Holland). — Очевидно, что необходима большая долгосрочная определенность — через сочетание финансирования, регулирования, механизмов разделения рисков и более активного общения, чтобы поставщики были готовы к расширению масштабов, опережая потребности отрасли».

Уникальной особенностью цепочки поставок компонентов для термоядерных установок Ассоциация считает независимость от закупок редких минералов и металлов, большинство из которых добываются в зонах постоянных военных конфликтов. Термоядерные компоненты требуют высокоорганизованного производства, которое можно найти только в обществах с открытой экономикой. При этом некоторая обеспокоенность геополитическими рисками остаётся, и участники цепочек поставок это отмечают.

Для повышения активности поставщиков, отмечается в докладе, необходимо принять ряд мер. В частности, необходимо увеличить как государственные, так и частные инвестиции в отрасль. Для этого, например, необходимо экспериментировать с финансированием на основе разделения рисков, чтобы дать поставщикам возможность инвестировать в новые мощности, к примеру, через «термоядерных» инвесторов, вкладывающих средства в ключевых поставщиков.

Также необходимо создать сетевые сообщества и проводить ежегодное мероприятие для поставщиков, чтобы способствовать коммуникации и осведомленности между термоядерными компаниями и поставщиками. Наконец, необходимо внедрение стандартизации и регулирования для обеспечения большей определенности в цепочке поставок и уверенности в долгосрочных инвестициях.

Всё это замечательно, но где они будут брать сварщиков? Рабочие специальности в цепочках поставок не появятся, их надо готовить отдельно и сильно заранее.

На днях французские и европейские СМИ сообщили, что на проекте термоядерного реактора ИТЭР часть сварных работ проводили сварщики с поддельными сертификатами. Выявлено и уволено 13 рабочих, чья квалификация не нашла официального подтверждения. В то же время у руководства ИТЭР к сделанной им работе нет замечаний, хотя в свете вскрывшегося подлога её всё равно придётся инспектировать заново.

Рубашка контура охлаждения рабочей камеры реактора, в трубах которой обнаружены трещины. Источник изображения: ITER

Проблема отсутствия специалистов с необходимой квалификацией — это проблема не только ИТЭР (ITER), но также всех работ, связанных с проведением сложных строительно-монтажных операций во Франции и, возможно, в ЕС. Например, на атомных электростанциях EDF во Франции участились случаи ремонта сварных швов, что говорит о наличии скрытых дефектов в изначально проделанных швах. Квалифицированных специалистов становится меньше и вакансии приходится замещать людьми с сомнительными документами и неподтверждённым опытом работы.

С другой стороны, многие рабочие операции по сборке термоядерного реактора и сопутствующего оборудования проводятся впервые, и сертификация может просто не успевать за этим процессом. Часть ответственных работ, кстати, проводится роботами-сварщиками, например, роботизированная установка сваривает сегменты рабочей камеры реактора, по которой будет циркулировать разогретая до 150 млн °C плазма. В этом есть плюс, но и минус тоже. Выяснилось, что все девять сегментов рабочей камеры выполнены с превышением допустимых пределов и робот не может её сварить.

Наконец, хотя все уличённые в подделке сертификатов сварщики были уволены, а с подрядчиком разорвали контракт, работники могут задним числом подтвердить свою квалификацию. Ранее в Гааге уже был прецедент, когда три сварщика получили сертификаты после того, как были уволены с работы, для которой они формально не были квалифицированны.

Заметим, у проекта ИТЭР есть более серьёзные проблемы, чем сварщики без сертификата. Это несоответствие секторов рабочей камеры требуемым размерам, что придётся устранять спилами в одних местах и наращиванием металла в других, а это сотни килограмм металла, а также выявленные трещины в контуре охлаждения (вот тут сварщики без диплома могли натворить дел), что может потребовать заменить экран и десятки километров труб охлаждения. Всё это на годы отодвинет получение первой плазмы на ИТЭР, которую все ждали в 2025 году.

Добавим, руководство ИТЭР ещё в марте само проинформировало надзорную организацию Nuclear Safety Authority (ASN) Франции о проблеме со сварщиками. ASN посоветовала больше так не делать.

Международная группа учёных сообщила о рекордном достижении для так называемых сферических токамаков (spherical tokamak, ST). На установке ST40 британской компании Tokamak Energy с рабочей камерой размером около 80 см в поперечнике был поставлен рекорд по разогреву ионов в плазме. Достигнута температура в 100 млн °C — это абсолютный максимум для сферических токамаков и критический порог для запуска реакции термоядерного синтеза.

Из истории создания установки ST40. Источник изображения: Tokamak Energy

Кроме сотрудников Tokamak Energy в работе приняли участие исследователи из Принстонской и Ок-Риджской национальных лабораторий в США и Института исследований энергетики и климата из Германии. О результатах расказано в журнале Nuclear Fusion.

Сферические токамаки выгодно отличаются от обычных токамаков-пончиков своей формой, которая делает их более компактными. Плазма в сферических токамаках удерживается ближе к сердцевине рабочей камеры. Это усложняет конфигурацию удерживающих плазму магнитов (электромагнитного поля), но зато снижает габариты термоядерных реакторов. Меньшие размеры положительно сказываются на стоимости установок и скорости их окупаемости.

В прошлом году компания Tokamak Energy сообщала о достижении температуры плазмы 100 млн °C, но без уточнения, какой именно. Дело в том, что при нагреве до таких величин электроны срываются со своих орбит вокруг атомов и плазма представляет собой потоки более горячих электронов (они банально легче и нагреваются до более высоких температур) и ионов, нагретых до меньших температур. Но до целевой температуры нам надо нагреть именно ионы, иначе они не начнут сближаться до начала сильного взаимодействия между ними, и реакции синтеза не произойдёт. В опубликованной работе учёные показали, что они добились этого именно для ионов рабочего вещества.

Визуализация установки ST80-HTS. Источник изображения: Tokamak Energy

На опытной установке поддержка температуры ионов на уровне 100 млн °C или 8,6 килоэлектронвольт (КэВ), если говорить о её энергетическом выражении, продолжалась всего 150 мс. Достигнуто это за счёт множественных оптимизаций в работе установки. Большего возможности сферического токамака ST40 просто не позволяют (что вы хотите от компактной установки?). Для достижения более высоких температур ионов в плазме и более длительного удержания её на максимальных отметках будет построена новая установка — ST80-HTS. Начало строительства ожидается в 2024 году, и это станет новой страницей в истории продвижения к безопасной, чистой и неисчерпаемой энергии.

Microsoft заключила соглашение с компанией Helion Energy, которая обязалась построить для софтверного гиганта первый в мире коммерческий термоядерный реактор. Управляемый термоядерный синтез долгое время считался Святым Граалем энергетики — потенциально безграничным экологически чистым источником энергии, который учёные пытались построить не одно десятилетие.

Trenta — один из прототипов реактора Helion. Источник изображения: helionenergy.com

Helion Energy считает, что сможет построить термоядерный реактор для Microsoft к 2028 году — он должен будет вырабатывать не менее 50 МВт электричества. Задача крайне сложная. Даже самые оптимистичные оценки учёных по поводу создания термоядерных электростанций варьируются от конца текущего десятилетия до нескольких десятилетий вперёд. Успех компании будет зависеть от возможности совершить технологический прорыв за невероятно короткий промежуток времени, а затем вывести технологию на рынок и сделать её конкурентоспособной по стоимости в сравнении с другими источниками энергии. Но Helion это не смущает, как и предусмотренные соглашением финансовые санкции в случае неудачи.

Термоядерный синтез фактически повторяет то, как в звёздах образуются свет и тепло. В случае с Солнцем это формирование атомов гелия из водорода и выделение больших объёмов энергии. С пятидесятых годов прошлого века учёные пытаются воспроизвести этот процесс контролируемым образом — масштабно получалось только неконтролируемым, например, в случае с водородной бомбой. Эта технология противоположна атомным электростанциям, на которых энергия высвобождается путём деления или расщепления атомов. Главным недостатком расщепления являются остающиеся после него нестабильные ядра — радиоактивные отходы. В случае с термоядерным синтезом они не образуются, поскольку при реакции, по сути, просто появляются новые атомы гелия.

Источник изображения: efes / pixabay.com

Сегодня управляемый термоядерный синтез пытаются воспроизвести, обстреливая вещество мощными лазерными лучами или удерживая магнитными полями плазму в машине, называемой токамаком. Helion решила пойти своим путём, построив 12-метровый плазменный ускоритель, в котором топливо будет разогреваться до 100 млн °C. Изотоп водорода дейтерий и гелий-3 будут нагреваться до плазменного состояния и сжиматься магнитными полями до тех пор, пока не запустится реакция синтеза. Компания утверждает, что при этом будет выделяться больше энергии, чем расходоваться — до недавнего времени учёным это не удавалось, и лишь в минувшем декабре прорыва удалось достичь исследователям Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса (LLNL). Helion только предстоит достичь этого этапа.

Ещё одним потенциальным препятствием является необходимость получить достаточное количество гелия-3 в качестве топлива, хотя в компании утверждают, что у них есть запатентованная технология получения этого редкого изотопа из атомов дейтерия. Наконец, полученная в термоядерном реакторе электроэнергия должна быть доступной, сравнимой по цене с производимой на традиционных электростанциях. Helion не уточнила, какую цену согласовала в контракте с Microsoft, но в конечном итоге компания собирается выйти на $0,01 за 1 кВт·ч.