Оживленный город Шанхай отмечает национальные праздники всемирно известными световыми шоу, освещая свои небоскребы ослепительными цветами, словно маяки китайских инноваций.
Именно здесь ученые и инженеры работают круглосуточно, чтобы достичь следующего большого успеха в глобальных технологиях, от 6G-интернета и передового ИИ до робототехники следующего поколения. Также здесь, на скромной улице в центре города, небольшой стартап под названием Energy Singularity работает над чем-то необычным: ядерной термоядерной энергией.
Американские компании и отраслевые эксперты обеспокоены тем, что Америка теряет свое многолетнее лидерство в гонке за освоение этой практически безграничной формы чистой энергии, поскольку по всему Китаю появляются новые компании, занимающиеся термоядерной энергетикой, а Пекин опережает Вашингтон по расходам.
Ядерный синтез, процесс, который питает солнце и другие звезды, крайне сложен для воспроизведения на Земле. Многие страны освоили реакции синтеза, но поддерживать их достаточно долго для использования в реальном мире остается неуловимой задачей.
Освоение термоядерной энергетики — заманчивая перспектива, обещающая богатство и мировое влияние той стране, которая первой ее освоит.
Премия этой энергии — ее абсолютная эффективность. Управляемая реакция синтеза высвобождает примерно в четыре миллиона раз больше энергии, чем сжигание угля, нефти или газа, и в четыре раза больше, чем деление, вид ядерной энергии, используемый сегодня. Она не будет разработана вовремя, чтобы бороться с изменением климата в это решающее десятилетие, но она может стать решением будущего потепления.
Китайское правительство вливает деньги в это предприятие, вкладывая в термоядерный синтез примерно от 1 до 1,5 млрд долларов в год, по словам Жана Поля Аллена, возглавляющего Управление по термоядерным наукам Министерства энергетики США. Для сравнения, администрация Байдена тратила около 800 млн долларов в год.
«Для меня важнее не цифры, а то, насколько быстро они это делают», — сказал Аллейн CNN.
Частные предприятия обеих стран настроены оптимистично, заявляя, что смогут подключить термоядерную энергию к сетям к середине 2030-х годов, несмотря на огромные технические проблемы, которые еще предстоит решить.
США были среди первых в мире, кто перешел на футуристический гамбит, серьезно работая над исследованиями в области термоядерного синтеза с начала 1950-х годов. Китайский набег на термоядерный синтез произошел позже в том же десятилетии. Совсем недавно его темпы ускорились: с 2015 года число патентов в области термоядерного синтеза в Китае резко возросло, и теперь их больше, чем в любой другой стране, согласно отраслевым данным, опубликованным Nikkei.
Шанхайский стартап Energy Singularity — лишь один из примеров невероятной скорости Китая.
Он построил свой собственный токамак за три года с момента своего основания, быстрее, чем любой сопоставимый реактор когда-либо был построен. Токамак — это очень сложная цилиндрическая или пончиковая машина, которая нагревает водород до экстремальных температур, образуя супообразную плазму, в которой происходит реакция ядерного синтеза.
Для молодой компании, работающей над одной из самых сложных в мире физических головоломок, Energy Singularity невероятно оптимистична. У нее есть на то причины: она получила более 112 миллионов долларов частных инвестиций, а также достигла мирового лидерства — ее текущий токамак — единственный, который использовал передовые магниты в плазменном эксперименте.
Известные как высокотемпературные сверхпроводники, эти магниты сильнее медных, используемых в старых токамаках. По словам ученых Массачусетского технологического института, исследующих ту же технологию, они позволяют создавать токамаки меньшего размера, которые могут генерировать столько же энергии термоядерного синтеза, сколько и более крупные, и они могут лучше удерживать плазму.
Компания планирует построить токамак второго поколения, чтобы доказать коммерческую жизнеспособность своих методов к 2027 году, и ожидает появления устройства третьего поколения, которое сможет подавать электроэнергию в сеть, до 2035 года, заявили в компании.
В отличие от этого токамаки в США стареют, сказал Эндрю Холланд, генеральный директор Ассоциации термоядерной промышленности в Вашингтоне, округ Колумбия. В результате США полагаются на машины своих союзников в Японии, Европе и Великобритании для продолжения своих исследований.
Холланд указал на новый строящийся в Восточном Китае научно-исследовательский термоядерный парк стоимостью 570 миллионов долларов под названием CRAFT, который планируется завершить в следующем году.
«У нас ничего подобного нет», — сказал он CNN. «Принстонская лаборатория физики плазмы модернизирует свой токамак уже 10 лет. Другой действующий токамак в США, DIII-D, — это 30-летняя машина. В американских национальных лабораториях нет современных установок для термоядерного синтеза».
В американской промышленности растет беспокойство по поводу того, что Китай побеждает Америку в ее собственной игре. Некоторые из токамаков следующего поколения, которые Китай построил или планирует построить, по сути, являются «копиями» американских разработок и используют компоненты, которые напоминают те, что сделаны в Америке, сказал Холланд.
Сотрудник сваривает детали в исследовательском парке термоядерного синтеза CRAFT в Хэфэе, на востоке Китая, в сентябре 2023 года. Токамак BEST будет построен рядом с CRAFT. Xinhua/Shutterstock
Финансируемый государством токамак BEST Китая, который, как ожидается, будет завершен в 2027 году, является копией токамака, разработанного Commonwealth Fusion Systems, сказал Холланд, компанией из Массачусетса, работающей с MIT. Обе конструкции оснащены тем же типом передовых магнитов, которые использует Energy Singularity.
Холланд отметил, что еще одна машина, которую строит частная китайская компания, очень похожа на машину, разработанную американской компанией Helion.
Он добавил, что Китай уже «уже давно копирует американские технологии».
«Они быстро следуют за нами, а затем берут на себя инициативу, доминируя в цепочке поставок», — сказал Холланд, используя в качестве примера технологию солнечных панелей. «Мы знаем об этом и хотим убедиться, что дальше так не пойдет».
CNN не получил ответа от Национального управления по энергетике Китая на вопрос о том, копировали ли финансируемые государством исследования в области термоядерного синтеза американские разработки или вдохновлялись ими.
Лазеры против токамаков
Ядерный синтез — это очень сложный процесс, который включает в себя принуждение друг к другу двух ядер, которые обычно отталкиваются. Один из способов сделать это — поднять температуру в токамаке до 150 миллионов градусов по Цельсию, что в 10 раз больше, чем температура ядра Солнца.
При связывании ядер выделяется большое количество энергии в виде тепла, которое затем можно использовать для вращения турбин и выработки электроэнергии.
Си-Эн-Эн
США на протяжении десятилетий являются лидером в области термоядерного синтеза; они стали первой страной, применившей термоядерную энергию в реальном мире — в водородной бомбе.
В начале 1950-х годов американские военные провели в Тихом океане серию испытаний ядерного оружия, «усиленного» газами, вызывавшими реакцию термоядерного синтеза, в результате чего произошел взрыв, мощность которого в 700 раз превышала мощность взрыва в Хиросиме.
Поддерживать ядерный синтез в течение длительного времени гораздо сложнее, и пока Китай лидирует со своими токамаками, США находят преимущество в другой технологии: лазерах.
В конце 2022 года ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора в Калифорнии выстрелили почти 200 лазерами в цилиндр, содержащий топливную капсулу размером с горошину перца, в первом в мире успешном эксперименте по получению чистого прироста энергии термоядерного синтеза. Это означает, что в результате процесса вышло больше энергии, чем было использовано для нагрева капсулы (хотя они не учитывали энергию, необходимую для питания лазеров).
Существуют и другие способы осуществления ядерного синтеза, и США делают ставки на различные технологии.
Не исключено, что такой подход может окупиться.
«Мы не знаем точно, какая концепция будет лучшей, и это может быть не так», — сказала Мелани Виндридж, британский физик плазмы и генеральный директор Fusion Energy Insights, организации по мониторингу отрасли. В конечном итоге может быть несколько жизнеспособных подходов к термоядерной энергетике, сказала она CNN. «А затем все сведется к расходам и другим факторам в долгосрочной перспективе».
Но токамак — наиболее изученная концепция, сказала она.
«Со временем в него вложили больше всего исследований, поэтому он самый продвинутый с точки зрения физики», — сказал Виндридж. «И многие частные компании строят на этом».
Благодаря деньгам, которые Китай вкладывает в исследования, концепция токамака стремительно развивается. Китайский токамак EAST в Хэфэе удерживал плазму стабильной при температуре 70 миллионов градусов по Цельсию — в пять раз выше, чем ядро Солнца — более 17 минут, что является мировым рекордом и объективно поразительным прорывом.
Михаил Маслов из Управления по атомной энергии Великобритании назвал это «важной вехой», добавив, что создание длинных плазменных импульсов остается одной из самых сложных технических задач на пути коммерциализации термоядерной энергетики.
Пока правительство Китая вливает деньги в термоядерный синтез, США привлекли гораздо больше частных инвестиций. В глобальном масштабе частный сектор потратил $7 млрд на термоядерный синтез за последние три-четыре года, около 80% из которых пришлось на американские компании, сказал Аллейн из DOE.
«В США есть предпринимательский дух, позволяющий мыслить нестандартно, внедрять инновации и действительно заполнять некоторые пробелы не только в науке, но и в технологиях», — сказал он.
Но если китайское правительство продолжит инвестировать более 1 миллиарда долларов в год, это вскоре может превзойти расходы США, даже в частном секторе.
И если эти инвестиции окупятся, красочные празднования в Шанхае не только будут подпитаны энергией термоядерного синтеза, но и покажут Китай в совершенно новом свете.
В подготовке этого репортажа принимал участие Шон Дэн из CNN.
