Глобальные научно-технические фейлы: управляемый термоядерный синтез

Примечание редакции. Мы уже публиковали статью Семена Есилевского о холодном ядерном синтезе (спойлер: пока что реализованном лишь в виде мошеннической схемы). Теперь напомним его более старый материал о управляемом термоядерном синтезе.

Путь от фундаментального научного открытия к практике может быть долгим и тернистым. Иногда сразу после открытия совершенно не понятно, как его можно использовать на благо народного хозяйства, и до начала практического применения проходят десятилетия. Именно так было, например, с электромагнетизмом и радиоактивностью, без применения которых сейчас нельзя представить себе современную цивилизацию. Но бывают и прямо противоположные случаи, когда огромный потенциал научного прорыва понятен всем чуть ли не до того, как он произошёл, а с практическим применением ничего не получается по сей день.

Научные достижения, которые всё никак не могут «выстрелить», несмотря на весь свой неоспоримый потенциал, представляют из себя интересный феномен. Всех их роднит то, что на их незамедлительное внедрение в практику были брошены колоссальные финансовые и человеческие ресурсы, но воз и ныне там. Эти случаи часто приводятся как примеры неэффективности современной науки и, как следствие, активно используются для пропаганды сокращения расходов на научные исследования. Как всегда в таких сложных вопросах единственного простого объяснения нет, и нужно анализировать весь комплекс причин, которые приводят к подобным фейлам. Давайте рассмотрим несколько наиболее ярких примеров, а потом попробуем проанализировать, что их объединяет.

Сегодня предлагаю поговорить об управляемом термоядерном синтезе.

Мечта слоупока

Управляемый термоядерный синтез — это самый известный пример научного достижения, которое никак не может пробить себе путь в практику и уже стало мемом (как известно, первая термоядерная электростанция появится через 20 лет и так продолжается уже более 60 лет).

Термоядерный синтез — это реакции слияния лёгких атомных ядер в более тяжёлые при огромных температурах и давлениях. В природе это происходит в недрах звёзд с выделением колоссального количества энергии. Неуправляемый термоядерный синтез был реализован в водородной бомбе ещё в 40-х годах ХХ века. Примерно тогда же появилась идея управляемой термоядерной реакции в земных условиях. Идея была чрезвычайно привлекательной, так как сулила практически дармовой и практически неиссякаемый источник энергии (топливом может служить водород, которого в мировом океане столько, что хватит до конца времен).

Теория управляемой термоядерной реакции была создана ещё в 50-х годах ХХ века. Критерий Лоусона, которые описывает условия, необходимые для стабильного «горения» термоядерной реакции, был открыто опубликован в 1957 году. Интересно, что первые экспериментальные реакторы начали испытывать и того раньше, когда ещё не было даже строгой теории их работы — энтузиазм был безграничен, а перспективы кружили головы.

Ещё в 1954 году был построен первый реактор по схеме «токамак», которая стала доминирующей на долгие десятилетия. Другой тип реактора — стелларатор — был придуман даже раньше, в 1950 году и секретно испытан уже в 1951-м. А потом что-то пошло не так…

В течение десятилетий было построено более 300 (!) экспериментальных термоядерных установок в разных странах. Их параметры постоянно улучшались, а вместе с ними росла их стоимость и сложность, но до реальной выработки энергии было всё те же «20 лет». На фоне семимильных шагов в космической гонке, ядерщики выглядели грустными слоупоками, которые никак не могут добить чисто инженерную проблему. Время шло, а срок в 20 лет так и оставался маячить на горизонте.

Со временем стало понятно, что «чисто инженерная проблема» не совсем «чисто инженерная»:

• Неустойчивость плазмы оказалась гораздо более изощрённой теоретической проблемой, чем казалось сначала. В целом с ней удалось справиться, но пришлось сильно усложнить конструкцию магнитной ловушки реактора.
• Возникли проблемы с топливом. Дейтериево-тритиевая смесь «загорается» легче всего, но генерирует колоссальный поток нейтронов, быстро разрушающий стенки реактора. К тому же тритий стоит дурных денег и приходится городить очень сложную систему для его регенерации. Чистое дейтериевое топливо почти дармовое, но оно «загорается» при гораздо большей температуре, которая пока недоступна даже в планах, да и нейтронов оно даёт тоже очень много. Менее «агрессивные» и «легко воспламеняемые» виды топлива (изотопы гелия, бериллия и лития) — совсем не дармовые, что ставит под вопрос окупаемость таких реакторов. Например, нужного изотопа ³He на Земле вообще нет. За ним предлагали летать на Луну или даже на Юпитер, что выглядит совсем уж ненаучной фантастикой.
• Проблема с радиационной стойкостью материалов стенок реактора так и остаётся открытой на фундаментальном уровне. Так или иначе, но их придётся регулярно менять, что ещё больше усложняет конструкцию и увеличивает эксплуатационные расходы.
• «Исключительная экологическая безопасность» термоядерных станций на поверку оказалась мифом. Интенсивное нейтронное облучение делает все внутренние конструкции реактора радиоактивными. Все эти тысячи кубометров металла и бетона придётся где-то захоранивать. Действительно «чистым» является только реактор на обычном водороде, но температура «зажигания» для водорода в земных условиях недоступна.
• Усложнение конструкции реакторов достигло такого уровня, что стало представлять уже фундаментальную проблему для проектирования, производства и контроля качества.

Священная корова

На сегодня «священной коровой» термоядерного синтеза является реактор ITER, который разрабатывают с 1985 года. Это совершенно монструозный международный проект, техническая сложность которого, по некоторым оценкам, превосходит всё, что было построено человечеством до него, включая даже большой адронный коллайдер.

Для ITER строят:

• самую мощную сверхпроводящую магнитную систему из когда-либо созданных;
• самый производительный в истории криогенный завод по производству жидкого гелия и сложнейшую систему перекачки жидкого гелия с уникальными насосами;
• адски сложную систему диагностики и ремонта, включающую уникальные сервисные роботизированные манипуляторы грузоподъёмностью в 50 тонн;
• крупнейшую в истории и сложнейшую по конфигурации вакуумную систему.

Общий вес всей конструкции — сложно представимые 400 000 тонн. Энергопотребление всего комплекса — 600 мегаватт (как небольшой город), при этом сам реактор энергии производить не будет. Общую стоимость проекта оценивают в 20–25 миллиардов евро, а его запуск намечен на 2025 год (но это не точно).

Даже если запуск и испытания ITER пройдут успешно, он никогда не будет вырабатывать электроэнергию — система просто для этого не предназначена. Только лет через 20 (хи-хи!), возможно, начнётся проектирование первых демонстрационных термоядерных установок для генерации энергии под кодовым названием DEMO. Они должны будут показать коммерческую целесообразность термоядерной энергетики и обкатать технические решения для первого поколения настоящих коммерческих реакторов. Самые оптимистичные сроки появления DEMO — 2045 год (это если ITER заработает в срок и выйдет на нужные показатели, что совсем не факт).

Даже самые закоренелые оптимисты сейчас не ожидают появления коммерческих токамаков раньше 2060-х годов, а это уже как-то совсем негуманно. Замечу, что 2060-е годы — это уже более 110 лет (!) с начала первых экспериментов в 1950-х. Таким образом, термоядерная энергетика претендует на звание самого долгоиграющего научно-технического долгостроя в истории человечества. Нет ни одной другой технологии, которую внедряли бы настолько долго.

Самое смешное, что даже если реакторы и появятся в 2060-х, то это будет совершенно не то, о чём грезили в ХХ веке. Это будут громадные гигаваттные монстры (меньшие будут иметь совсем плохой КПД) на «грязном» дейтериево-тритиевом топливе, требующие захоронения гор радиоактивных конструкционных материалов (не настолько опасных, как отработанные ТВЕЛы обычных АЭС, но зато куда больших по объёму). Согласитесь, совсем не похоже на экологически чистый и компактный реактор на чистом водороде, как хотелось в 1950-х.

Сейчас некоторые специалисты высказывают сомнения не только в рентабельности термоядерного синтеза в будущем, но и в самой целесообразности продолжения исследований на токамаках (раз, два). Непонятно, смогут ли настолько монструозные инженерные системы, как гигантские токамаки, массово строится и надёжно эксплуатироваться. Радикального удешевления и упрощения этих монстров не видно даже в самых смелых мечтах.

Есть, конечно, и альтернативные подходы и проекты: немецкий стелларатор Wendelstein 7-X, инерциальный термоядерный синтез и т. д., но они, в отличие от ITER, даже не ставят целью в обозримом будущем получить стабильную реакцию — это чисто исследовательские проекты.

Отдельного упоминания заслуживает проект Compact Fusion Reactor (CFR) от компании Lockheed Martin. На сегодня это единственная инициатива частной компании по развитию термоядерных технологий, и чуть ли не единственная попытка создать что-то действительно компактное и относительно дешёвое. Компания анонсировала несколько чисто исследовательских прототипов и получила несколько патентов. Что из этого получится — пока совершенно не понятно.

Не стоит забывать, что за 60 лет, прошедших с начала гонки за управляемым термоядом, мир успел кардинально измениться. Не дождавшись обещанной дармовой энергии, ведущие страны развили возобновляемую энергетику до такого уровня, что стали отказываться даже от обычных АЭС. Техногенные изменения климата изменили саму глобальную идею прогресса человечества с повышения производства энергии на максимальную энергоэффективность. Влажные мечты о колонизации космоса термоядерными звездолётами сменились развитием информационных технологий. А тут ещё и вместо простых и дешёвых реакторов в каждом гараже нам пытаются «продать» чудо инженерной мысли стоимостью в десятки миллиардов евро, с сомнительной рентабельностью и надёжностью. К тому же ещё «фонящее» и требующее экзотического трития в качестве топлива. Как говорят в Одессе, «такое...».

Не заходи за черту

Конструирование и постройка ITER дают понять, где проходит граница сложности, которую в состоянии осилить современные инженеры. Эту систему проектируют и строят уже более 30 лет с привлечением лучших умов из многих стран мира. Если человечеству вдруг придёт в голову создать что-то ещё более сложное, то, похоже, что всё упрётся не в деньги, а в непреодолимую сложность самой системы. Создаётся впечатление, что всем известные приёмы борьбы со сложностью — разделение задачи на более мелкие, независимое модульное и интеграционное тестирование, согласование общих спецификаций с сохранением свободы их реализации каждым из подрядчиков — уже не в состоянии справиться с системами сложнее ITERа (это если он сам ещё заработает). Человеческий разум, даже усиленный всем арсеналом современных систем CAD, уже просто не в состоянии проанализировать все нюансы взаимодействия компонентов такой монструозной конструкции. Вполне возможно, что наибольшая польза от ITERа будет совсем не в демонстрации термоядерного синтеза, а в чётком осознании этих границ.

Возможно, что через пресловутые 20 лет термоядерные реакторы всё-таки появятся, но спроектированы они будут уже искусственным интеллектом.

Философские вопросы

Термоядерная эпопея поднимает несколько серьёзных экономических и управленческих вопросов:

• Какой срок является максимально приемлемым для разработки новой революционной технологии? 20 лет? 50? 100? После какого рубежа дальнейшие безвозвратные вложения должны считаться неоправданными и разработка должна быть заморожена?
• Как бороться с «шапкозакидательскими» обещаниями учёных и инженеров, которые они готовы щедро раздавать, когда пахнет большими деньгами? Как отличить объективные непредвиденные трудности от намеренного очковтирательства и «дойки» денег на бесперспективные разработки?
• Нужно ли государству или частному инвестору вкладывать средства в какую-то одну супердорогую технологию «дальнего прицела», рассчитанную на реализацию через 2–3 поколения? Не будет ли эффективнее вместо этого профинансировать сотню небольших поисковых проектов в надежде, что один-два «выстрелят» уже при нашей жизни?

Ответов на эти вопросы пока нет.

Альтернативные мнения

Естественно, всё сказанное — моё субъективное мнение со стороны. Я не специализируюсь в ядерной физике и сужу исключительно по общедоступной аналитике и публикуемым данным. Есть и альтернативные мнения специалистов, которые считают, что, в принципе, всё идёт нормально, и такой темп внедрения технологии обусловлен её принципиальной сложностью и, как ни странно, недостатком финансирования. Нельзя отрицать, что средства, выделяемые на термоядерные установки, не так уж огромны в сравнении, например, с военными бюджетами. Возможно, что если бы на эти проекты выделили бы не 20 млрд, а 200, то дело пошло бы быстрее.

Сразу скажу, что такая позиция мне кажется слабой. Во-первых, девять женщин не могут родить ребёнка за месяц — есть принципиальные ограничения в скорости проектирования и постройки огромных установок. Во-вторых, в сравнении с финансированием других областей науки, в термояд за 60 лет было вбухано очень много и практически без толку. Ясно, что в вооружения вбухали намного больше, но эти деньги всё равно никто бы не отдал, так что и смысла говорить об этом нет.

Мораль

История управляемого термоядерного синтеза — пример необоснованного инженерного оптимизма, помноженного на недооценку технологических трудностей. В этом случае фундаментальная наука отработала на все 100%, предоставив не только саму идею нового источника энергии, но и детальные расчёты для нескольких вариантов её реализации. А вот прикладники, инженеры и менеджеры «не смогли». Причём основная проблема не в том, что не смогли, а в том, что даже не поняли, что «не могут». Когда размеры и сложность исследовательских реакторов стали выходить за пределы разумного, а сроки реализации проектов явно растянулись на несколько поколений, ни у кого не хватило духу остановиться и сказать: «Стоп, это тупик». В результате родился ITER, который в 1985 году выглядел ещё неплохо, а сейчас уже смотрится как реликт эпохи романтической гигантомании.

Термоядерных электростанций наше поколение точно не увидит. Средства, вложенные в термоядерную программу за 60 с гаком лет, не окупятся ещё лет 60 как минимум (если вообще окупятся когда либо).

Это грустно, но, может быть, есть «побочные эффекты» исследований на экспериментальных реакторах, которые привели к появлению каких-то новых технологий? Увы, их тоже не видно. Существенно шагнула вперёд фундаментальная физика плазмы и… и, пожалуй, всё. Это очень помогло астрофизикам, которые теперь имеют отличные модели недр звёзд, аккреционных дисков чёрных дыр и прочих объектов нашей Вселенной, где эта самая плазма встречается. С «земными» же применениями всё обстоит совсем плохо. Мне не удалось найти ни одной «народно-хозяйственной» технологии, берущей начало в экспериментах по термоядерному синтезу. Сравните это с тем, что дала за 60 лет, например, космонавтика, начиная от GPS и заканчивая технологиями вакуумной сушки продуктов.

Таким образом, историю термоядерной энергетики можно считать крупнейшим научно-техническим фейлом в новейшей истории. А жаль, красивая была фантастика.