Представете си бъдеще, в което човечеството разполага с неограничен достъп до енергия, която е напълно екологична и при това – безплатна. Редица учени и частни компании по света са убедени, че технологията за това съществува и е въпрос на няколко години да я овладеем, като постигнем икономическа ефективност. Става въпрос за термоядрения синтез (fusion) – „Свещеният Граал“ на енергетиката, който на практика имитира процесите, захранващи звездите, и е една от най-перспективните научни области в наши дни.

Да подражаваш на звездите

При съществуващите днес атомни централи реакторите работят чрез процеса на ядрен разпад, при който по-нестабилни атомни ядра се разпадат, отделяйки огромна енергия, но също и силна радиация, опасна за хората и природата. Термоядреният синтез – най-общо – представлява обратният процес, при който ядрата на по-леки атоми се сливат, образувайки по-тежко ядро. Това също е свързано с отделянето на огромно количество енергия, но не и на вредна радиация. Така например по-леките атомни ядра на изотопите на водорода деутерий и тритий могат да се слеят в по-тежки елементи.

За да бъде постигната самата реакция на ядрен синтез в земни условия, горивото трябва да премине в четвъртото познато агрегатно състояние на материята – т.е. плазма. Тя обаче е изключително нестабилна и не може да съществува при допир, включително и със стените на реактора. За да се задържи в стабилно състояние далече от тях, се използват мощни магнити, които обгръщат реакторите. Най-широкоразпространените форми на тези съоръжения са токамак, който има тороидална форма, или казано на по-прост език – прилича на гигантска поничка, и стеларатор, при който поничката е странно огъната около себе си.

Защо термоядреният синтез е толкова важен?

Тази технология за производство на енергия има потенциала да реши едновременно две от най-сериозните предизвикателства на човечеството – климатичната криза и глобалния енергиен недостиг.

За разлика от ядреното делене, което генерира дълготраен радиоактивен отпадък и носи риск от аварии, термоядреният синтез е безопасен по природа. От екологична гледна точка той не само не е свързан с излъчване на опасна радиация, но и почти не отделя въглеродни емисии. Освен това не съществува реален риск от експлозии, каквито са възможни при днешните атомни електроцентрали.

В добавка суровините за него са широко достъпни – например деутерият може да се извлича от морската вода, а тритият да бъде произведен в самия реактор. При идеални условия един литър вода и малко количество литий биха могли да захранят домакинство за месеци.

Предимствата са огромни и мнозина виждат в тази технология решение на много от съвременните проблеми на цивилизацията ни. Въпросът не е дали термоядреният синтез е желан, а кога и как той би могъл да стане реалност. Самата технология съществува, а целта на проектите, развивани днес в тази област по света, е да докажат, че тя може да бъде икономически изгодна – произведената енергия да бъде осезаемо повече от тази, вложена в процеса. За тази цел се полагат мащабни международни усилия, в които са ангажирани научни институти от някои от водещите икономики на планетата. Тези усилия са фокусирани в

проекта ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).

Това гигантско съоръжение, което се изгражда в научноизследователския център Кадараш, Югоизточна Франция, e финансиранo от 35 държави, включително Европейския съюз, Индия, Китай, Южна Корея, Япония и други. Проектът е за термоядрен реактор по класическия токамак модел, което означава, че е с тороидална форма. Неговата цел е да постигне нива на енергийна печалба от поне 10 пъти по вложената енергия.

ITER е един от най-мащабните научни проекти в историята на човешката цивилизация. Макар и често да е критикуван заради забавяния и растящи разходи, днес той продължава да е символ на международното научно сътрудничество и основен тест за възможностите на толкова мащабна термоядрена инфраструктура. След редица забавяния стана ясно, че той няма да заработи през тази година, както беше планирано. Очаква се първата плазма да бъде пусната през следващата, а пълната експлоатация да започне през 2035 г.

Този проект обаче далеч не е единственото перспективно начинание, което има потенциала да впрегне силите на ядрения синтез за доброто на човечеството. Редица компании също правят усилия в тази посока, а през последните години секторът става все по-привлекателен за рисковите инвеститори.

Най-перспективните частни проекти

Паралелно с мастодонта на международното сътрудничество частният сектор също навлиза агресивно в тази ниша. При това – с по-гъвкави, по-малки и често по-иновативни решения.

Commonwealth Fusion Systems

Този американски стартъп е свързан с Масачузетския технологичен институт (MIT) и е един от най-обещаващите проекти в сектора. Разработва SPARC – компактен реактор, също работещ по токамак модел, в който са внедрени редица иновации, включително нов тип високотемпературни свръхпроводници. Това увеличава над два пъти енергията, произвеждана от плазмата.

Проектът вече е в напреднала фаза на изграждане и има големи шансове да доведе до създаването на комерсиален реактор до края на десетилетието. Привлякъл е над 2 млрд. долара инвестиции и е смятан за най-сериозния конкурент на ITER в краткосрочен план. Показателно за неговия потенциал е, че сред инвеститорите в инициативата са Google, Бил Гейтс и множество реномирани инвестиционни фондове.

Helion Energy

Това е един също толкова амбициозен проект, макар и засега да е привлякъл „едва“ около 1 млрд. долара рисков капитал. Отново е американски стартъп, а сред инвеститорите в него са японската група SoftBank, фондът Lightspeed Venture Partners, Сам Олтман и съоснователят на Facebook Дъстин Московиц. Компанията залага на алтернативен подход, базиран на т.нар. Magneto-Inertial Fusion (MIF) – магнитно-инерционен термоядрен синтез, който съчетава основните познати методи за ограничаване на плазмата – чрез магнити (както е при реакторите тип токамак или стеларатор) и инерционно ограничение. Компанията вече има сключен договор с Microsoft за доставка на енергия от първия си реактор – обещание, което според тях може да се реализира още през 2028 г. Макар мнозина да са скептични към този агресивен график, напредъкът им за момента е впечатляващ.

Tokamak Energy

Друг важен играч е Tokamak Energy от Оксфорд, Обединеното кралство, който работи върху сферичен реактор – според мнозина по-компактен и ефективен от класическите дизайни. Проектът се нарича ST40 и вече има зад гърба си няколко успешни теста – през 2018 г. успя да достигне температура на плазмата от 15 млн. градуса по Целзий, а през март 2022 г. премина и психологическата граница от 100 млн. градуса по Целзий.

First Light Fusion

Друг перспективен британски проект, който използва кардинално различен подход, за да постигне сливане – ударна компресия чрез своеобразни снаряди, вместо използване на магнити или лазер.

Китайската алтернатива

В Китай се развива изключително бързо реакторът EAST, чийто екип през последните години постигна редица рекорди в температурата и времето на задържане на плазмата. Следващият китайски проект, който се очаква да започне работа към края на десетилетието, е CFETR (China Fusion Engineering Test Reactor). Очакванията са той да бъде сериозен конкурент на западните комерсиални проекти.

Близо ли сме до пробив?

След десетилетия на експерименти и изследвания можем да кажем, че днес сме на прага на ерата, в която термоядреният синтез престава да бъде футуристична мечта и започва да се превръща в реална технологична и икономическа цел. Макар все още нито един реактор да не е постигнал стабилна, устойчива и икономически изгодна реакция, прогресът на много от проектите през последните пет години е по-бърз от всеки друг момент в историята на тази технология.

Очакванията са, че през тридесетте години ще видим първите реактори, които ще произвеждат ток и ще го подават в електропреносната мрежа, поне в рамките на пилотни проекти. Все по-активното участие на частния сектор и рисковия капитал ускорява иновациите в сектора, което води със себе си навлизането на нови магнитни технологии, нови подходи към удържането на плазмата, както и иновации при компютърното моделиране.

Налага се въпросът: ако се оправдаят очакванията за скорошното навлизане на термоядрения синтез в икономиката, колко достъпна ще е тази технология? На теория добитата по този начин енергия е безплатна, доколкото изходните елементи могат да се получат лесно от морската вода, а и няма да има нужда от скъпи съоръжения за последващо съхранение на радиоактивни отпадъци, както е при традиционните атомни електроцентрали. Самите фюжън реактори обаче струват сериозни суми (бюджетът на ITER например вероятно ще надмине 22 млрд. евро) и разработилите ги компании ще искат да върнат парите си с печалба, което е съвсем нормално. При всички случаи развитието на множество конкурентни проекти в различни държави е най-добрата гаранция, че обществото ни ще получи новата технология във възможно най-ефективната ѝ форма и на най-достъпна цена.