Идее укротить термоядерный синтез — реакцию, питающую звезды — исполнилось почти сто лет. Десятилетиями в научной среде ходила шутка, что до коммерческого термояда всегда остается тридцать лет. Однако сегодня гонка за бесуглеродной и почти бесконечной энергией постепенно выходит из стен теоретических институтов на строительные площадки и в офисы частных стартапов. Пока инженеры и инвесторы вкладывают миллиарды долларов в первые коммерческие проекты, возникает логичный вопрос: как всё это будет выглядеть на практике, когда первая станция наконец даст ток в сеть.

Архитектура слоёного пирога

В основе любого термоядерного реактора лежит концепция, которую инженеры называют луковичной архитектурой. В самом центре этого комплекса находится шнур раскаленной плазмы — ионизированный газ из изотопов водорода, разогретый до безумных ста пятидесяти миллионов градусов Цельсия, что в несколько раз горячее ядра нашего Солнца.

Чтобы удержать это искусственное солнце и превратить его буйную энергию в киловатты, реактор обволакивают несколькими защитными слоями. На самом внутреннем рубеже расположена первая стенка и так называемый бланкет. Эта конструкция принимает на себя удары быстрых нейтронов, нагревается и одновременно выполняет важнейшую химическую функцию — выбивает из литиевых гранул новый тритий, зацикливая топливный процесс. Чуть ниже находится дивертор, который работает как мощный тепловой пылесос и вычищает из системы гелиевый пепел, остающийся после сгорания плазмы.

Невидимой клеткой для раскаленного газа выступают огромные сверхпроводящие магниты. Они создают мощнейшее магнитное поле, которое удерживает плазму от смертельного для реактора контакта со стенками. В современных компактных проектах инженеры применяют высокотемпературные сверхпроводники, которые приходится непрерывно охлаждать жидким гелием или азотом. А завершает эту конструкцию массивный биозащитный кокон — метровые стены из бетона и стали, гарантирующие, что ни один нейтрон не покинет пределы реакторного зала.

Главные претенденты на старт

Сегодня в гонке за первый коммерческий киловатт определились два ключевых технологических направления, каждое из которых предлагает свой взгляд на форму реактора.

Первый путь опирается на классические токамаки — реакторы в форме ровного магнитного бублика. Именно по этому принципу строился знаменитый международный экспериментальный реактор ITER. Его прямые коммерческие последователи из европейских и южнокорейских программ представляют собой титанические сооружения, где высота вакуумного сосуда достигает пятнадцати метров. Однако на пятки государственным гигантам наступает частный капитал. Американский стартап Commonwealth Fusion Systems разрабатывает компактный реактор ARC мощностью около четырехсот мегаватт. За счет применения сверхмощных магнитов нового поколения им удалось уменьшить размеры установки в несколько раз и запланировать запуск уже на 2030-е годы. Параллельно в Европе создается проект GIGA от компании Gauss Fusion, где инженеры прорабатывают полную инфраструктуру — от сжигания топлива до безопасного обращения с отходами.

Альтернативную дорогу выбирают разработчики стеллараторов, ярким примером которых стал немецкий проект Stellaris от компании Proxima Fusion. В отличие от токамака, магнитная камера стелларатора имеет невероятно сложную, скрученную форму. Строить такую систему в разы сложнее, но она позволяет реактору работать непрерывно и без риска резкого срыва плазмы, а для коммерческой энергосистемы стабильность выдачи тока остается главным приоритетом.

Как это будет выглядеть с улицы

Для случайного прохожего первая термоядерная станция не покажется инопланетным сооружением. Глазам очевидца откроется обширный индустриальный парк, чётко разделенный на две функциональные зоны.

Первую зону займет высокотехнологичный реакторный остров. Это массивный корпус из серых бетонных панелей, к которому подведены сложнейшие криогенные магистрали. Рядом расположится собственная заводская инфраструктура: установки для сжижения газов, системы вакуумной очистки и специализированные цеха для выделения трития.

Вторую половину комплекса составит абсолютно традиционная энергочасть. Дело в том, что вне зависимости от способа получения тепла — будь то сжигание угля, расщепление урана или синтез водорода — электричество в сетях всё еще рождается благодаря пару и турбине. Вода под высокими давлением и температурой, нагретая внутри бланкета реактора, будет отправляться в обычные парогенераторы, заставляя вращаться роторы турбогенераторов. Поэтому привычные гигантские градирни для охлаждения пара и высоковольтные ЛЭП на выходе будут точно такими же, как на любой современной ТЭЦ.

Термоядерная эра начнется не с футуристических замков, а с прагматичного союза фундаментальной физики и классической тяжелой инженерии. И если текущие графики частных и государственных компаний выдержат проверку реальностью, первый промышленный ток от укрощенного синтеза потечет по проводам уже через десять–пятнадцать лет.

Статья подготовлена по материалам Science direct