«Мир уже не
пахнет нефтью»

Конец эры ископаемого топлива предрекают давно — и человечество активно готовится к переходу на новые источники энергии. Как протекает подготовка и откуда мы будем черпать электроэнергию в будущем, рассказывает Виктор Удинцев — PhD, начальник отдела инженерной поддержки проектирования портов для диагностик Международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР).

HBR — Россия: Сколько энергии сегодня производится и потребляется в мире?

Удинцев: Если вы посмотрите на общую динамику потребления и выработки электроэнергии в мире, то увидите, что показатели растут из года в год. В 1990 году все электростанции мира вырабатывали в общей сложности около 12 терраватт-­часов энергии, в 2000-м — примерно 15,5 ТВт·ч, в 2010-м — 21,5 ТВт·ч, в 2013-м — 23,5 ТВт·ч, в 2016-м — 24,5 ТВт·ч. Лидером по объему производства электроэнергии уже давно стал Китай, вслед за ним идут США, Индия и Россия.

Запросы человечества постоянно растут, и энергии нужно все больше. Это вызвано, во-первых, увеличением количества населения, во-вторых, развитием промышленности. Даже в быту мы потребляем все больше энергии. Если, скажем, в 50-е годы прошлого века в квартирах были только лампочки, радиоприемники и кое-где телевизоры, то сегодня почти в каж­дой семье есть микроволновая печь, стиральная машина, холодильник, несколько телевизоров, компьютеров и т. д. Даже чтобы все это произвести, нужно больше энергии.

Понятно, что основные источники энергии сейчас — ископаемые: уголь, газ, нефть. А какая доля приходится на альтернативные источники?

Больше всего приходится на гидро­энергетику — 17% от общего производства, дальше идут ядерная энергетика — примерно 10% и так называемые возобновляемые источники — около 7%. Возобновляемые источники — это солнце, ветер: то, что не ведет к исчерпанию полезных ископаемых.

Остальное приходится на ископаемые топлива, в основном мы зависим от них. Но их запасы ограничены: разработали месторождение — и надо искать новое. Уже давно ясно, что ископаемых источников энергии навечно не хватит. Чтобы отвечать растущим запросам человечества, надо увеличивать долю других источников.

Причина только в том, что нефть и газ в какой-то момент закончатся?

Неизбежное истощение ископаемых источников энергии — это полбеды. Есть еще экологический фактор. Сжигая уголь, газ, нефть, мы выбрасываем в атмосферу углекислый газ, и возникает всем известный парниковый эффект. Существуют разные мнения относительно значимости антропогенного влияния на изменения климата, но факт остается фактом: климат меняется, и наша задача — этому противодействовать.

Насколько, по прогнозам, нам хватит природных ресурсов?

Прогнозы разнятся. В целом, все зависит от того, насколько эффективно мы научимся извлекать полезные ископаемые. Ископаемые источники сегодня разрабатываются потому, что себестоимость добычи относительно невысока. По мере исчерпания «легких» месторождений (разработка которых рентабельна) будут переходить на другие источники ископаемых топлив — например, на сланцевый газ. Тогда себестоимость добычи, скорее всего, возрастет, а значит, увеличится и стоимость электроэнергии, вырабатываемой на таком топливе. Точный прогноз сделать трудно, поскольку параллельно с ископаемыми источниками используются и неископаемые. Но в общем речь идет о десятках лет — может быть, о 50—70 или, если будут найдены дополнительные месторождения, о 90—100.

Можем ли мы уменьшить коли­чество потребляемой энергии?

Не думаю, что это реально. Никто не откажется от возможности использовать холодильники или микроволновки. Что действительно можно сделать, так это снизить уровень энергопотребления приборов. Сейчас этим уже занимаются: на бытовых приборах ставят класс энергопотребления. Автомобили могут быть более «чистыми» — вырабатывать меньше СО2. На таком уровне оптимизация возможна. Но единственный реальный выход — искать другие источники энергии.

Могут ли возобновляемые источники заменить ископаемые?

Все зависит от масштаба. Ветряные станции или солнечные батареи могут эффективно обслуживать небольшой городок, деревню или ферму. В большом масштабе, например в индустриальных городах, вряд ли удастся обойтись только возобновляемыми источниками.

Какие источники энергии могли бы стать реальной заменой ископаемым?

Ядерные (атомные) и термоядерные. Понятно, что основная проблема атомных станций — обеспечение безопасности: все помнят о Чернобыле и Фукусиме. Но если соблюдать все нормы безопасности, это достаточно надежный источник энергии. Во Франции, например, сегодня больше 70% электроэнергии вырабатывается на атомных электростанциях. Однако самый перспективный источник, на мой взгляд, — станции, использующие энергию управляемого термоядерного синтеза.

Сколько бы ни говорили о безопасности атомных станций, они представляют собой реальную угрозу. Чем термоядерные станции будут отличаться от ядерных в этом плане?

С точки зрения экологии они используют достаточно чистый источник энергии — никакого сравнения с атомными станциями. Они не требуют сжигания ископаемого топлива — значит, выбросов СО2 в атмосферу не будет. Хранилища для топлива, на котором будут работать такие электростанции (дейтерия, трития, гелия-3), останутся «чистыми», в отличие от хранилищ для урана или плутония, которые сами становятся радиоактивными.

Поскольку термоядерный синтез основан на слиянии легких ядер, после него не будет радиоактивных остатков. И самое главное: в отличие от атомных электростанций, на термоядерных невозможна самопроизвольная цепочка распада ядерного вещества. Как только останавливают плазму, ядерная реакция прекращается. Это гораздо более безопасный источник энергии.

С другой стороны, конечно, это тоже ядерная установка, поэтому надо принимать меры радиационной защиты. Определенное количество радиоактивных отходов к концу жизни термоядерного реактора все равно будет оставаться. Но такие материалы легко утилизировать, поскольку это не продукты распада урана, в них не вырабатывается плутоний — это просто облученные компоненты. При грамотном подходе единственное, что может случиться на термоядерной станции, — она остановится. Никаких последствий вроде Чернобыля или Фукусимы не будет.

Контролируемый термоядерный синтез — пока дело будущего. Насколько в таком случае реально создание термоядерной электростанции?

Эксперименты в этой области начались еще в середине ХХ века. Сейчас физика термоядерного синтеза относительно понятна — это те же процессы, что происходят на Солнце, на звездах. Уже существует целая цепочка экспериментальных машин: токамаки, стеллараторы, магнитные ловушки — на них изучают физические процессы, протекающие в плазме. Сегодня в Великобритании работает крупнейший токамак JET — установка, в которой создаются условия, необходимые для демонстрации управляемого термоядерного синтеза.

Теперь остается решить некоторые технологические вопросы. Для этого во Франции строится первый в мире экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР. В 2025 году там планируют получить первую плазму (ионизированный газ, нагретый до высоких температур), в 2035 году — выйти на настоящий ядерный цикл, то есть получить дейтерий-тритиевую плазму и «настоящую» самоподдерживающуюся термоядерную реакцию. Если все пойдет по плану, в 2040-х уже можно будет построить термоядерную электростанцию, которая начнет давать электричество. А выход на глобальный рынок можно планировать на 2070—2080-е годы.

В двух словах: что такое токамак и чем ИТЭР отличается от существующих токамаков?

ИТЭР — это реактор, который действует по принципу токамака. Токамак — установка для удержания плазмы. Плазма нагревается внутри вакуумной камеры с помощью внешних источников: микроволнового излучения, инжекций нейтральных атомов. Ее очень трудно удержать: звездные температуры все моментально расплавят. Поэтому плазму, скрученную в «бублик», удерживает магнитное поле. Любопытно, кстати, что слово «токамак» пришло из русского языка — его придумал ученик академика Курчатова Игорь Николаевич Головин.

Исследования в области термоядерного синтеза начались в середине прошлого века. Почему они идут так долго?

В прошлом веке, как я уже сказал, не было такой зависимости от энергопотребления. Было достаточно много газа и нефти. Термоядерный синтез рассматривался как перспективный источник — и работа над ним имела в основном научный, а не прикладной характер.

Когда мы говорим о термоядерной станции как о серьезном индустриальном проекте, возникает масса вопросов, связанных с безопасностью, с долговечностью материалов, с интерфейсами, то есть с системами, которые должны работать вместе — а это непросто, когда звездные температуры соседствуют с криогенными, то есть очень высокие (сотни миллионов градусов) с очень низкими (близкими к абсолютному нулю). Такое количество технологических нюансов одной стране решить не по силам — нужно было взяться за них всем миром. Для этого и создали ИТЭР.

Вы сказали, что в Великобритании уже действует самый большой ­токамак. Для чего в таком случае нужен ИТЭР?

Британский токамак меньше, чем ИТЭР. Он был построен в конце 1980-х, чтобы показать, что термоядерные реакции в принципе возможны, что можно получить определенный выход мощности от реактора. Это, в целом, научная демонстрационная машина. ИТЭР — это машина, которая продемонстрирует миру возможность термоядерного синтеза и покажет: на одну единицу вложенной энергии на выходе можно получить 10 единиц.

Какие страны вкладываются в ИТЭР и в чем заключается их вклад?

Страны ЕС, США, Россия, Корейская республика, Китай, Индия, Япония. ЕС вкладывает в проект большую часть средств — 45%, а 55% делятся поровну между остальными участниками проекта. Речь идет не только о денежных вливаниях. Страны предоставляют высококвалифицированных специалистов — как в области физики плазм, так и в области ядерной безопасности, а также технологии и компоненты для будущей установки. Стоимость проекта сейчас составляет десятки миллиардов евро.

Кто участвует в проекте с российской стороны?

Около 20 российских компаний и исследовательских центров: Курчатовский институт, Институт прикладной физики РАН, Физико-технический институт РАН, Институт ядерной физики Сибирского отделения РАН, Росатом, Чепецкий механический завод, Криогенмаш и т. д.

ИТЭР — это исключительно демонстрационная машина, он не будет функционировать как электростанция?

Нет. Он не предназначен для производства электроэнергии и поставки ее в сеть. Но на базе ИТЭР и его наработок будет создано следующее поколение реакторов, уже индустриальных. Научная программа ИТЭР рассчитана минимум на 20 лет. После этого его остановят, разберут, радиоактивные расходы утилизируют.

Как будут выглядеть термоядерные станции, когда они все-таки появятся?

Если описывать их одним словом, они будут большими. Если говорить серьезно, то в них будет реакторная часть, где будет зажигаться плазма, и инфраструктура здания. Все остальное будет более или менее похоже на уже существующие станции: вода будет нагреваться от тепла, вырабатываемого нейтронами внутри плазмы, циркулировать, вращать турбину и таким образом создавать энергию.

Можно ли уже сейчас рассчитать стоимость термоядерной энергии?

Она зависит от многих факторов, в частности от места расположения электростанции. Если станцию построят, допустим, в Китае (на мой взгляд, именно там термоядерная энергетика будет востребована в первую очередь), то себестоимость термоядерной энергии будет в разы меньше, чем энергии, производимой на тепловых или атомных станциях.

Некоторые страны, например США, более «инерционные», они в большей степени зависят от ископаемого топлива. Возможно, даже ископаемых ресурсов у них хватит надолго. Они, я уверен, тоже будут развивать и термоядерную энергетику, но для них это не так критично, как для быстроразвивающихся экономик вроде Китая.

Другой немаловажный фактор — доступ к топливу для поддержания термоядерной реакции: к дейтерию, тритию, гелию-3. Чем легче его доставать, тем дешевле будет энергия. Но в целом, я думаю, термоядерная энергетика будет достаточно дешевой. Главное — она сможет решить энергетическую проблему.

А где можно «доставать» топливо, которое вы упомянули?

Тритий и дейтерий — это изотопы водорода. Они различаются, условно говоря, количеством нейтронов. Существует даже понятие «тяжелая вода» — то есть вода, в которой «обычный» атом водорода замещается более тяжелым изотопом. Для получения трития нужны атомные реакторы, для получения дейтерия — нет: его добывают, например, с помощью электролиза. Источники трития и дейтерия фактически неиссякаемы, пока во вселенной есть вода. А гелий-3 в избытке находится... в лунном грунте.

Вы говорите: поскольку США обладает большими запасами ископаемых источников энергии, они не очень заинтересованы в развитии других направлений энергетики. Но ведь в России запасов не меньше.

Конечно. Но Россия более разумно подходит к этому вопросу. Она вкладывается в развитие ядерной энергетики и строит атомные станции не только у себя, но и в других странах. Также в России сейчас начинают строить ветряные станции.

Можете ли вы обрисовать перспективы энергетики будущего — как перераспределится соотношение разных источников энергии?

Лет через 100, как я уже предположил, не останется полезных ископаемых. Допустим, доля ветра и солнца увеличится и достигнет 15%: в каждой деревне будут свои ветряки и солнечные батареи. Но все равно глобальных нужд индустрии это не обеспечит. 50—60% электроэнергии будут «доставать» из источников вроде ядерных — либо на атомных станциях, либо на термоядерных. Все будет зависеть от того, насколько они безопасны.

Есть ли вероятность, что появятся новые источники энергии?

С точки зрения физики гипотетически такая возможность есть — но в очень отдаленном будущем. Лет через 1000, когда человечество выйдет в космос, вероятно, можно будет построить станции, которые будут работать вблизи Солнца. Пока в это с трудом верится, но, согласитесь, если бы в ХIX веке кому-нибудь показали телевизор, он бы тоже не поверил.

Если говорить об автомобилях, которые, я думаю, никуда не исчезнут, какое топливо представляется вам наиболее перспективным?

Я бы сделал ставку на электромобили. Уже сейчас есть модели с аккумуляторами большой мощности, которые можно довольно быстро зарядить и которые по скорости мало чем отличаются от дизельных или бензиновых. Это экологически чистый вид транспорта, и в ближайшее время спрос на него будет расти. Определенную долю рынка, скорее всего, займут автомобили с водородным двигателем — сейчас он активно разрабатывается.

Как вы оцениваете идею Илона Маска сбрасывать на полюсы Марса термоядерные бомбы?

Лучше задать этот вопрос самому Илону. Но, на мой взгляд, это неоднозначный проект — если вообще выполнимый. Трудно сказать, позволит ли он добиться желаемого парникового эффекта и разогреть планету. Кроме того, нужно понимать, что бомбардировка термоядерными снарядами приведет к заражению поверхности Марса радиоактивными изотопами. То есть на части планеты будет более высокий уровень радиации. Конечно, это повлияет на возможность ее освоения. Да и расчетов, убедительно подтверждающих правильность идеи по восстановлению атмосферы таким образом, я пока не видел.

Главное в этой истории для меня то, что частные лица начинают проявлять интерес к термоядерной энергетике. Это очень хороший знак.

Какие направления энергетики можно считать самыми перспективными для вложений со стороны бизнеса и частных лиц?

В разных странах по-разному. США, как я уже сказал, больше зависят от ископаемых источников энергии. Инерционность мышления и относительная дешевизна ископаемого топлива не заставляют их идти семимильными шагами в сторону возобновляемых источников энергии. Так что там выгоднее вкладываться в традиционную энергетику.

В России и особенно в Китае ядерная и термоядерная энергетика со временем будут основными направлениями. Конечно, определенную нишу займут и возобновляемые источники. Там, где можно, поставят ветряки и солнечные панели. Но в промышленном масштабе вкладываться имеет смысл именно в термоядерную энергетику. Как только ИТЭР продемонстрирует возможность промышленного производства энергии на термоядерной станции, это станет очень выгодным направлением для инвестиций.