Термояд: на пути к практической энергетике

МАГАТЭ опубликовало обзор «Термоядерный синтез — 2025», в котором представлены ключевые проекты, тенденции в общем положении дел, технологиях, правовом обеспечении и стратегиях, а также первая финансовая оценка затрат и влияния термоядерного синтеза на мировую энергетику и экономику. Важнейшие тренды — переход от исследований и научных разработок к строительству и практическому применению. Россия, один из мировых лидеров в области термоядерного синтеза, создает эти тенденции, участвуя в международных проектах и развивая собственные.

Основные тенденции

«Мы в очередной раз становимся свидетелями стремительных изменений в областях, связанных с энергией термоядерного синтеза. То, что раньше относилось исключительно к категории экспериментальных исследований и долгосрочных перспектив, теперь все чаще рассматривается в качестве фундаментального элемента национальных энергетических стратегий и планов промышленного развития», — говорит во вступительном слове к обзору гендиректор МАГАТЭ Рафаэль Гросси.

Главные тенденции такие: страны утверждают стратегии действий в области термоядерного синтеза. Компании выбирают площадки под станции и проектируют решения первого поколения, — по данным МАГАТЭ, в мире планируется, строится или эксплуатируется более 160 термоядерных установок. Регулирующие органы выпускают руководящие документы — специальные программы в области термоядерного синтеза действуют почти в 40 странах. Конечные потребители обсуждают соглашения о покупке электроэнергии, энергетические компании создают стратегические альянсы с разработчиками термоядерных технологий, а представители ключевых отраслей (автомобилестроения, традиционной энергетики, аэрокосмической промышленности и цифровых услуг) включают разработки в области термоядерного синтеза в свои долгосрочные портфели. Объем частных инвестиций в это направление в мире превышает $10 млрд.

«Сближение научной мысли, коммерческих интересов и политического ресурса знаменует собой эпохальный сдвиг: термоядерная энергетика вступает в новую фазу — внедрение в реальных условиях», — комментирует Рафаэль Гросси.

В 2024 году МАГАТЭ учредило Всемирную группу по термоядерной энергии. В нее входят государственные и частные заинтересованные организации, научно-исследовательские институты, образовательные учреждения и регуляторы. Задача группы — обмен опытом, налаживание связей и взаимопонимания.

Прогресс в УТС

Главный термоядерный проект в мире — ИТЭР, Международный термоядерный экспериментальный реактор. Россия — инициатор и один из ключевых его участников. Сейчас российские специалисты готовятся к изготовлению панелей первой стенки из вольфрама (ранее планировали сделать ее из бериллия) и прорабатывают технологии нанесения на них карбида бора, который должен предотвращать попадание примесей в плазму. Российские научные институты планируют циклические тепловые испытания электронным пучком и проверку качества покрытия с помощью облучения импульсными плазменными сгустками. Для ИТЭР это крайне важные исследования, от которых прямо зависит будущее проекта. Также российская сторона выполняет все обязательства по поставкам на ИТЭР оборудования, входящего в сферу ее ответственности.

В докладе перечисляются реализуемые термоядерные проекты в разных странах: совместный японско-европейский JT-60SA, китайский EAST, американские SPARC и NIF, немецкий W7-X и другие. Эксперименты на этих установках уже позволили добиться важных результатов, включая рекорды по температуре и времени удержания плазмы.

Национальные стратегии

Как отмечается в обзоре МАГАТЭ, за последний год многие страны обновили свои стратегии развития термоядерного синтеза, позиционируя их теперь не только как научные программы, но и как слагаемые энергетической, промышленной и внешней политики. «Это отражает все более широкое признание практической осуществимости производства энергии на основе термоядерного синтеза. С учетом открывающихся возможностей правительства выделяют инвестиции и разрабатывают меры политики для содействия внедрению термоядерной энергии в будущем», — отмечают авторы обзора.

В России в рамках национального проекта «Новые атомные и энергетические технологии» реализуется федеральный проект «Технологии термоядерной энергетики». Его основная цель — разработать базовые технологии будущей термоядерной энергетики и необходимую исследовательскую базу.

Россия

В России работает несколько термоядерных установок: это, например, токамаки Т-15МД, Т-11М, а также сферический токамак «Глобус-М2».

Российские ученые завершили эскизное проектирование токамака нового поколения — токамака с реакторными технологиями (ТРТ), к сооружению которого планируется приступить в ближайшие годы. Предполагается, что проект ТРТ, в основе которого лежит многолетний национальный опыт в области термоядерного синтеза с магнитным удержанием, станет основой национальных исследований, вносящих вклад в мировые исследования и разработки в области термоядерного синтеза. ТРТ, как ожидается, обеспечит проведение экспериментов по физике плазмы, испытания улучшенных материалов и будет интегрирован в международные исследовательские коллаборации.

Правовая база

«В настоящее время не существует согласованного на глобальном уровне определения термоядерной электростанции, однако во многих правовых системах признается необходимость создания четкой нормативной базы применительно к термоядерным устройствам, предназначенным для производства электроэнергии или тепла в коммерческих целях», — говорится в обзоре МАГАТЭ.

Страны активно изучают подходы к нормативному регулированию в сфере термоядерного синтеза. Некоторые уже вводят регламентирующие нормы в отношении термоядерных установок исследовательского назначения. Они служат основой и прецедентом при создании правового поля и базы для правовых отношений и могут применяться к будущим термоядерным электростанциям напрямую или после внесения необходимых изменений.

В обзор, вероятно из-за временных рамок, не вошли изменения в законодательстве РФ, регулирующие термоядерную энергетику. Первого августа президент РФ подписал Федеральный закон №342-ФЗ, представляющий собой поправки к закону «Об использовании атомной энергии». В соответствии с поправками правовые основы и принципы регулирования отношений, возникающих при использовании атомной энергии, распространяются на проектируемые и действующие термоядерные установки, в том числе содержащие ядерные материалы, специальные неядерные материалы и радиоактивные вещества, предназначенные для использования ядерной реакции синтеза с участием легких атомов. Поправки вступят в силу 1 января 2027 года.

Высокотемпературные сверхпроводники

Специальный раздел в обзоре МАГАТЭ посвящен ВТСП. «Обеспечивая более сильное магнитное поле, что позволяет рассчитывать на более компактные устройства, ВТСП-материалы открывают новые возможности для ускорения развития технологий термоядерного синтеза и создания экономически привлекательных готовых разработок», — отмечают авторы обзора. В обзоре приводятся сложности, с которыми приходится столкнуться при изготовлении, монтаже и использовании ВТСП-магнитов: более сильное магнитное поле создает большие нагрузки в электромагнитной системе, а из-за более компактной геометрии без специальных компенсационных мер усиливается воздействие тепловых потоков плазмы на внутренние поверхности установки. Но, несмотря на это, отмечают авторы обзора, число государственных и частных проектов, в рамках которых используются ВТСП-магниты для уменьшения размеров устройств, стоимости их сооружения и сроков разработки, растет.

Влияние термоядерных технологий на энергетику и экономику

Термоядерные технологии развились до такого уровня, что в мире начали выполнять оценки себестоимости термоядерных электростанций. Так, в обзоре приведен фрагмент доклада The Role of Fusion Energy in a Decarbonized Electricity System, сделанного специалистами Энергетической инициативы Массачусетского технологического института (МТИ) совместно с Центром изучения плазмы и синтеза МТИ и адаптированного для выпуска МАГАТЭ.

Исследователи признали, что будущие затраты на производство электроэнергии с использованием термоядерного синтеза определить сложно, поэтому они оценивали влияние различных диапазонов предполагаемых затрат, учитывая также кривую обучения. Исследователи использовали оценки капитальных затрат в пересчете на кВт установленной мощности, которые отражают затраты на термоядерные электростанции в США. Исследователи отметили, что в других странах они будут иными и будут зависеть от цены на электроэнергию, рабочую силу и от динамики капитальных вложений.

При базовом сценарии ($8000/кВт) выработка электроэнергии с использованием термоядерного синтеза, по оценкам исследователей, вырастет с 2 ТВт·ч в 2035 году до 375 ТВт·ч в 2050 году и до 25 тыс. ТВт·ч к 2100 году. Доля термоядерной энергетики в мировом производстве электроэнергии при базовом сценарии достигнет 15% к 2075 году и 27% к 2100 году.

Исследователи также смоделировали возможную экономическую выгоду от применения термоядерной энергетики: «По сравнению со сценарием декарбонизации без термоядерной энергетики совокупный мировой ВВП возрастет на 0,4% в базовом варианте (при капитальных затратах в размере $8000/кВт в 2050 году) и на 0,9% при снижении стоимости до 5600 долл./кВт. Эти результаты свидетельствуют о том, что инвестиции в разработку и внедрение технологий термоядерного синтеза могут создать выгоду для мировой экономики и способствовать достижению целей декарбонизации в течение этого века».