Розлив сонця
CNN13 хв
Експерименти ITER з термоядерної енергії відбуватимуться у вакуумній ємності машини у формі пончика, яка називається токамак.
Світ намагається освоїти це безмежне джерело чистої енергії з 1930-х років. Зараз ми ближче, ніж будь-коли
Розповідь Боштяна Відемшека.
Фотографії Матяжа Кривіца
Сен-Поль-ле-Дюранс, Франція — З невеликого пагорба в південному французькому регіоні Прованс можна побачити два сонця. Один палає вже чотири з половиною мільярди років і сходить. Інший будується тисячами людських розумів і рук, і він — набагато повільніше — піднімається. Останній із справжніх вечірніх променів сонця кинув чарівне сяйво на інший — величезний будівельний майданчик, який міг би вирішити найбільшу екзистенційну кризу в історії людства.
Саме тут, у крихітній комуні Сен-Поль-лез-Дюранс, 35 країн об’єдналися , щоб спробувати освоїти ядерний синтез, процес, який природним чином відбувається на сонці — і на всіх зірках — але його дуже важко повторити. Земля.
Ядерний синтез обіцяє практично безмежну форму енергії, яка, на відміну від викопного палива, не виділяє парникових газів і, на відміну від ядерної енергії, яка використовується сьогодні, не утворює довговічних радіоактивних відходів.
Оволодіння ним могло б буквально врятувати людство від зміни клімату, кризи, яку ми самі створили.
Працівники перевіряють надпровідники на ITER.
Якщо її опанувати, енергія термоядерного синтезу, безсумнівно, буде живити більшу частину світу. Всього 1 грам палива як вхідний матеріал може створити еквівалент восьми тонн нафти за потужністю термоядерного синтезу. Це дивовижна прибутковість 8 мільйонів до 1.
Експерти з атомної галузі рідко люблять оцінювати, коли енергія термоядерного синтезу може бути широко доступною, часто жартують, що, коли б ви не запитали, до неї завжди 30 років.
Але вперше в історії це може бути правдою.
У лютому вчені з англійського села Калхем поблизу Оксфорда оголосили про великий прорив: вони генерували і підтримували рекордні 59 мегаджоулів термоядерної енергії протягом п'яти секунд у гігантській машині у формі пончика, яка називається токамак.
Цього вистачило лише для живлення одного будинку на день, і на процес витрачалося більше енергії, ніж вийшло. Але це був справді історичний момент. Це довело, що ядерний синтез дійсно можливий на Землі.
Вид зверху на камеру токамаків. Токамак в кінцевому підсумку важитиме 23 000 тонн, загальна вага трьох Ейфелевих веж.
Це була чудова новина для проекту у Франції, Міжнародного термоядерного експериментального реактора, більш відомого як ITER. Його головна мета — довести, що термоядерний синтез можна використовувати в комерційних цілях. Якщо це зможе, світ не матиме користі від викопного палива, такого як вугілля, нафта та газ, які є основними чинниками кліматичної кризи, створеної людиною.
Після успіху у Великобританії ITER відчув величезний імпульс, але люди, які працюють над проектом, також зазнають серйозних змін. Їхній генеральний директор Бернар Бігот (французькою вимовляється як bi-GOH) помер від хвороби 14 травня після того, як керував ITER протягом семи років.
Перед смертю Бігот поділився своїм інфекційним оптимізмом щодо енергії термоядерного синтезу зі свого сонячного офісу, який виходив на оболонку власного токамака ITER, науково-фантастичної структури, яка все ще будується.
«Енергія — це життя», — сказав Бігот. «Біологічно, соціально, економічно».
Робітники виносять вихлопні труби подалі від актового залу. Ці труби використовуються для відведення вихлопних газів з вантажівок, які доставляють великі компоненти на чисте підприємство.
Коли Земля була населена менш ніж мільярдом людей, відновлюваних джерел було достатньо, щоб задовольнити попит, сказав Бігот.
«Більше ні. Не з часів промислової революції та наступного демографічного вибуху. Тому ми перейшли на викопне паливо і завдали багато шкоди нашому навколишньому середовищу. І ось ми зараз, 8 мільярдів, і в середині різкої кліматичної кризи», – сказав він.
«Немає альтернативи, крім як відучити себе від нашого нинішнього основного джерела енергії», – сказав він. «І найкращим варіантом, здається, є той, який Всесвіт використовує мільярди років».
Імітуючи сонце
Енергія термоядерного синтезу створюється шляхом зближення двох частинок, які за своєю природою відштовхуються. Після того, як невелика кількість палива вводиться в токамак, гігантські магніти активуються, щоб створити плазму, четвертий стан матерії, яка трохи нагадує газ або суп, який заряджено електрично.
Підвищуючи температуру всередині токамака до незбагненно високих рівнів, частинки палива змушені зливатися в одне ціле. У процесі утворюються гелій і нейтрони, які легші за масою, ніж частини, з яких вони були спочатку виготовлені.
Відсутня маса перетворюється на величезну кількість енергії. Нейтрони, які здатні вирватися з плазми, потім потрапляють на «ковдру», що вистилає стінки токамака, і їх кінетична енергія передається у вигляді тепла. Це тепло можна використовувати для нагрівання води, створення пари та обертання турбін для виробництва електроенергії.
Все це вимагає, щоб токамак містив серйозне тепло. Температура плазми повинна досягти щонайменше 150 мільйонів градусів Цельсія, що в 10 разів гарячіше, ніж ядро Сонця. Виникає питання: як щось на Землі може витримувати такі високі температури?
Це одна з багатьох перешкод, які вдалося подолати поколінням шукачів енергії термоядерного синтезу. Вчені та інженери розробили гігантські магніти, щоб створити сильне магнітне поле для збереження тепла. Все інше просто розтане.
Те, що ті, хто працює над термоядерним синтезом, намагалися зробити всередині своїх машин, по суті, копіювати сонце. Сонце — це вічна фабрика термоядерного синтезу, що складається з гігантської палаючої кулі плазми. Кожну секунду він сплавляє кілька сотень тонн водню в гелій.
Плазма - це речовина, з якої складається 99,9% Всесвіту, включаючи зірки, наше Сонце та всю міжзоряну матерію. Наприклад, тут, на Землі, він використовується в телевізорах і неонових лампах, і ми бачимо його в блискавиці та полярному сяйві.
Як би дивно це не звучало, генерація термоядерної енергії сама по собі не є складною частиною, вважають кілька експертів ITER. Зрештою, людство реалізовує реакцію ядерного синтезу з моменту винаходу водородної бомби. Головне завдання – його підтримати. Токамак у Великобританії, який називається Joint European Torus, або JET, утримував енергію термоядерного синтезу протягом п’яти секунд, але це просто найдовше, на що ця машина може працювати. Його магніти були виготовлені з міді і побудовані в 1970-х роках. Більше п’яти секунд під таким нагріванням призведе до їх розплавлення.
ITER використовує новіші магніти, які можуть прослужити набагато довше, і проект має на меті отримати 10-кратну віддачу енергії, генеруючи 500 мегават при вхідній потужності 50 мегават.
Працівники збирають деякі з чотирьох котушок полоїдного поля, які складатимуть частину клітки магнітного поля, необхідного для утримання плазми. Кожен з них має діаметр від 22 до 24 метрів.
Але мета ITER полягає не в тому, щоб фактично використовувати енергію для живлення, а в тому, щоб довести, що він може підтримувати енергію термоядерного синтезу набагато довше, ніж це зміг JET. Успіх тут означатиме, що машини комерційного масштабу можуть почати генерувати термоядерний синтез у майбутньому.
У той час як Сонце сплавляє атоми водню для створення гелію, проект JET використовував два ізотопи водню, які називаються дейтерій і тритій, які ITER також буде використовувати. Ці ізотопи поводяться майже так само, як водень, з точки зору їх хімічного складу та реакцій.
У природі зустрічаються як дейтерій, так і тритій. Дейтерій міститься у великій кількості як у прісній, так і в солоній воді — дейтерій із всього 500 мілілітрів води з невеликою кількістю тритію може забезпечити живлення будинку протягом року. Тритій зустрічається рідко, але його можна отримати синтетичним шляхом. На даний момент у світі його існує лише 20 кілограмів, а попит становить не більше 400 грамів на рік. Але при виході 8 мільйонів до 1 для вироблення великої кількості енергії термоядерного синтезу потрібні лише крихітні кількості обох елементів.
Тритій є надзвичайно дорогою речовиною: один грам зараз коштує близько 30 000 доларів. Якщо ядерний термоядерний синтез набуде популярності, попит зашкалює, створюючи для світових майстрів термоядерного синтезу ще один виклик.
Робітники, які виконують прецизійне зварювання надпровідників під час будівництва.
Проект на 10 мільйонів частин
Здалеку ITER виглядає як проект, готовий до реалізації. Зблизька видно, що це ще далеко.
Будівництво — на 39 будівельних майданчиках — неймовірно складне. Основне робоче місце – це помітно стерильне середовище, де за допомогою 750-тонних кранів встановлюються величезні компоненти. Робітники вже зібрали корпус токамака, але вони все ще чекають деяких деталей, зокрема гігантського магніту з Росії, який буде сидіти у верхній частині машини.
Розміри вражають. Токамак в кінцевому підсумку важитиме 23 000 тонн. Це сукупна вага трьох Ейфелевих веж. Він складатиметься з мільйона компонентів, які далі відрізнятимуться не менше ніж на 10 мільйонів менших частин.
Цей потужний бегемот буде оточений одними з найбільших магнітів, коли-небудь створених. Їх приголомшливий розмір — деякі з них мають діаметр до 24 метрів — означає, що вони занадто великі для транспортування і їх потрібно зібрати на місці у гігантському залі.
Враховуючи величезну кількість залучених деталей, тут просто немає місця для помилок.
Навіть цифровий дизайн цієї величезної машини міститься в 3D-файлах комп’ютера, які займають понад два терабайти дискового простору. Це той самий обсяг місця, на якому можна заощадити понад 160 мільйонів односторінкових документів Word.
Один з дев'яти секторів вакуумного судна, який незабаром буде піднятий на гігантські крани для складання.
Ядерний синтез військового часу
За сотнями працівників, які об’єднують проект ITER, стоять близько 4500 компаній із 15000 співробітників з усього світу.
Тридцять п’ять країн співпрацюють у ITER, яким керують сім основних членів — Китай, США, Європейський Союз, Росія, Індія, Японія та Південна Корея. Це трохи схоже на Раду Безпеки ООН, хоча покійний Бігот, серед інших, намагався повністю утримати геополітику від ITER.
Але оскільки Росія прагне перемалювати карту Європи своєю війною в Україні і навіть кинути виклик післявоєнному світовому порядку, є занепокоєння з приводу подальшої ролі країни в ITER, а також з приводу її потенційного виключення.
Росія була виключена з низки інших міжнародних наукових проектів унаслідок її війни, але Європейська комісія прямо зробила виняток для ITER у своїх санкціях.
Частково це пов’язано з тим, що Росія історично нерозривно пов’язана не лише з проектом, а й із термоядерною енергетикою.
Чорна платформа в нижній частині каркаса — це комплекс токамаків, споруда вагою 400 000 тонн, що об’єднує будівлі токамака, діагностики та тритію. Бетонна конструкція за ним є діагностичним корпусом.
Країни почали шукати термоядерну енергію в 1930-х роках, будуючи всілякі машини протягом десятиліть. Але найбільш вдалим виявився токамак, створений у Радянському Союзі. У 1968 році радянські дослідники зробили величезний прорив у термоядерному синтезі — їм вдалося досягти необхідних високих температур і утримувати плазму протягом тривалого періоду, чого ніколи раніше не було.
Токамак став машиною для тиражування. Навіть слово токамак — портманто для «тороїдального магнітного утримання» — походить з російської мови.
Росія також надала деякі з найважливіших елементів проекту ITER і є одним з його основних спонсорів. Наприклад, магніт для верхньої частини токамака був виготовлений у Санкт-Петербурзі і чекає там, готовий до відправки до Франції, сказав глава комунікацій ITER Лабан Кобленц.
За його словами, поки що участь Росії в проекті жодним чином не змінилася.
"ITER дійсно є дитиною холодної війни, - сказав Кобленц. - Це цілеспрямована співпраця країн, які ідеологічно не узгоджені, які просто поділяють спільну мету для кращого майбутнього".
Він зазначив, що сім основних членів пережили багато напружених подій з моменту створення ITER у 1985 році.
«До будь-яких останніх російських обставин це ніколи не вплинуло на дух співпраці. Я думаю, що не буде перебільшенням сказати, що ITER – це проект миру», – сказав він.
Усередині ями токамака працівник вимірює з’єднання між циліндричним проходом, відомим як заглушка живильника, і основою кріостата, яка допомагає підтримувати вакуум токамака прохолодним.
Але Кобленц визнав, що війна в Україні була «безпрецедентною» і що він не може передбачити, що це може означати для майбутнього Росії в ITER — те, що буде делікатним питанням для наступного генерального директора. Частиною роботи Біго була координація семи головних членів та їхніх поглядів, які часто відрізняються щодо вирішення різних політичних, ідеологічних та економічних питань.
Коли перед вторгненням Росії в Україну його запитали, чи було складно впоратися з цими розбіжностями, Бігот криво посміхнувся.
«Тепер це справді не маленький подвиг», — сказав він.
«Але наша спільна відданість залишається такою ж сильною, як і раніше. Можу сказати, що від початку моєї участі в проекті щоденна політика практично не вплинула на наші зусилля», – сказав він.
«Кожен із партнерів, здається, цілком усвідомлює, що кидання м’яча може легко означати загибель всього проекту. Це, звісно, величезна відповідальність».
Звивисті сходи за системою опалення, вентиляції та кондиціонування ITER у його 60-метровому актовому залі.
Геополітика завжди відігравала роль у ITER. Просто пошук правильного місця для нього зайняв роки і включав більше десяти років технічних досліджень, політичних переговорів і дипломатичних налаштувань. Французький Saint-Paul-lez-Durance нарешті став офіційним сайтом у 2005 році на зустрічі в Москві, а через рік у Парижі було підписано угоду про будівництво.
Коли дипломатія і технології пішли в ногу, почалося будівництво. У 2010 році було закладено фундамент, а в 2014 році запустили першу будівельну техніку.
Час збігає
Масштаб і амбіції проекту ITER можуть здатися величезними, але це, принаймні, пропорційна відповідь на безлад, який люди зробили на планеті. З 1973 року глобальне споживання енергії зросло більш ніж вдвічі. До кінця століття він може потроїтися. Сімдесят відсотків усіх викидів вуглекислого газу в атмосферу утворюються за рахунок споживання енергії людиною. І 80% всієї енергії, яку ми споживаємо, отримуємо з викопного палива.
Зараз Земля наближається до рівнів потепління, які призводять до більш частих і смертельних хвиль тепла, спричиняють голод посухи, лісові пожежі, повені та підвищення рівня моря. Вплив кліматичної кризи стає все важче і важче повернути назад, оскільки цілі екосистеми досягають переломних моментів, і на кону стає все більше людських життів.
Зварник стоїть за захисним екраном на нижньому рівні основи кріостата ITER.
Зараз світ намагається швидко декарбонізувати та прискорити свій перехід від викопного палива, що випікає планети, до відновлюваної енергії, як-от сонячна, вітрова та гідроенергетика. Деякі країни роблять ставку на енергію ядерного поділу, яка є низьковуглецевою, але супроводжується невеликим, але не незначним ризиком катастрофи, проблемами зберігання радіоактивних відходів і високою вартістю.
Але є серйозні питання щодо того, чи зможе світ здійснити цей зелений перехід достатньо швидко, щоб запобігти катастрофічній зміні клімату.
Ось де ф’южн може стати героєм 11-ї години — якщо світ оволодіє ним вчасно.
Коли покійного фізика Стівена Гокінга у 2010 році Time запитав, яке наукове відкриття він хотів би побачити при своєму житті, він вказав саме на цей процес.
«Я хотів би, щоб ядерний синтез став практичним джерелом енергії», — сказав він. «Це забезпечить невичерпний запас енергії без забруднення або глобального потепління».
Частина вакуумної ємності, герметично закритий сталевий контейнер, у якому відбуватимуться реакції синтезу та діє як перший захисний бар’єр.
Нова ера
Фахівці, які працюють над ядерним синтезом, уже подолали величезні проблеми, і багато, у тому числі Бігот, присвятили цьому всю свою кар’єру і ніколи не бачили, щоб він набув практичного застосування.
Зараз комерційні підприємства готуються генерувати та продавати термоядерну енергію, і вони настільки оптимістично налаштовані, що ця енергія майбутнього може з’явитися в мережі до середини століття.
Але як завжди з ядерним синтезом, у міру подолання однієї проблеми, здається, з’являється інший. Обмежені запаси і ціна тритію є єдиними, тому ITER намагається виробляти власний. На цьому фронті перспективи непогані. Ковдра всередині токамака буде покрита літієм, і коли нейтрони плазми, що вирвали, досягнуть його, вони вступатимуть у реакцію з літієм, щоб створити більше тритієвого палива.
Час і гроші завжди турбують великі проекти, але «великий» навіть не означає масштаб ITER, який справді є одним із найбільших та найамбітніших міжнародних енергетичних кооперацій в історії.
Затримка на один день коштує близько мільйона євро, сказав Бігот.
Європейський Союз покриває 45% витрат на будівництво, що постійно зростають. Усі інші країни-учасниці, за приблизними оцінками, дають трохи більше 9% кожна. Спочатку все будівництво оцінювали приблизно в 6 мільярдів євро (6,4 мільярда доларів). Наразі загальна сума зросла більш ніж втричі до приблизно 20 мільярдів євро.
Частина кріостата для випробування котушок полоїдного поля. Кріостат допоможе обмежити плазму.
Прогнози 2001 року передбачали, що перша партія плазми буде вироблена в 2016 році, ще одна пропущена мета. Деякі спостерігачі вважали, що проект загинув у воді, але після того, як Бігот взяв кермо, проект був упорядкований і повернувся в русло. Бігот мав репутацію мікроменеджера, сказав Кобленц, але це саме те, що було потрібно, щоб привести в порядок цей складний проект.
«Коли ви приїхали сюди, його машина була на місці о 7 ранку, і часто тут до 21 чи 22 години вечора», — сказав Кобленц. «Тож у вас завжди складалося враження, що жодна деталь не була надто великою чи надто маленькою, щоб він сприймав серйозно та брав участь».
Хоча під його керівництвом очікування та терміни також були переглянуті, щоб бути більш реалістичними. Першу плазму очікують у 2025 році, а перші експерименти з дейтерієм і тритієм, як очікується, відбудуться в 2035 році, хоча навіть вони зараз розглядаються — частково відкладені через пандемію та постійні проблеми з ланцюгом поставок.
Проте, оскільки один із найбільших проектів у світі йшов із запізненням на його колінах, Бігот залишався пристрасним і оптимістичним щодо потенціалу ITER до свого останнього подиху.
«Ядерний синтез водню в мільйон разів ефективніший, ніж спалювання викопного палива. Те, що ми тут намагаємося зробити, насправді дуже схоже на створення маленького штучного сонця на Землі», – сказав він. «Ця термоядерна електростанція працюватиме весь час. Це сонце, так би мовити, ніколи не зайде».
Сутінки падають над комплексом ITER у Сен-Поль-ле-Дюранс, Франція.
