Енергія майбутнього: на що здатні реактори термоядерного синтезу і чи чекає нас ера чистої енергії

Протягом майже століття вчених мучила перспектива отримання невичерпного джерела енергії за допомогою ядерного синтезу. На жаль, створення контрольованого середовища, в якому атомні ядра можуть безперервно зливатися під екстремальним тиском і температурою, щоб виробляти енергію, вкрай складно. Але «складно» не означає «неможливо», і сьогодні ми поговоримо про різні підходи до ядерного синтезу і причини, через які одні здаються більш багатообіцяючими, ніж інші.

Чи є майбутнє у реакторів ядерного синтезу? І якщо так - які переваги і ризики це обіцяє людству вже в найближчому майбутньому?

Синтез і поділ - це різні процеси виробництва ядерної енергії. Там, де ядерний синтез спрямований на об'єднання легких атомів у більш великі, ядерний поділ ґрунтується на розриві атома (зазвичай урану-235) шляхом обстрілу його нейтронами (ланцюгова реакція). Обидва процеси вивільняють величезну кількість енергії, хоча синтез при інших рівних дає більше.

Як влаштований реактор ядерного синтезу

Енергія, вироблена в результаті ядерного поділу, вловлюється всередині реакторів (таких як реактори на Фукусімі або, наприклад, у Чорнобилі) і використовується для нагрівання води до стану пари, яка обертає турбіну і виробляє електрику. Але в результаті цього процесу утворюються відходи, які можуть залишатися радіоактивними протягом сотень тисяч років, що може обернутися катастрофою, якщо все піде шкереберть.

З іншого боку, термоядерний синтез не призведе до утворення довготривалих ядерних відходів, а ті, що все-таки будуть, всього за 100 років можуть бути перероблені без шкоди для екології. Також немає небезпеки розплавлення реактора або ядерної аварії, тому що весь процес заснований на високотемпáних реакціях, які охолоджуються протягом декількох секунд при порушенні процесу. А оскільки в цих реакціях використовується відносно невелика кількість палива, немає небезпеки, що зовні «мирний атом» буде використаний для виробництва ядерної зброї.

У галузі досліджень ядерного синтезу беруть участь вчені, які вирішують всілякі проблеми, але всі вони прагнуть до однієї мети - відтворення процесів, які саме Сонце використовує для виробництва величезної кількості енергії. Колосальні гравітаційні сили утримують водень з атмосфери Сонця і використовують інтенсивне тепло і тиск для перетворення газу в плазму, в якій ядра стикаються з високою швидкістю, утворюючи гелій і вивільняючи енергію.

«Сонячна енергія - це дійсно термоядерна енергія, тільки на відстані», - пояснив в інтерв'ю порталу New Atlas Метью Хоул, експерт з ядерного синтезу і науковий співробітник Австралійського національного університету. «Вся ця енергія - просто реакції синтезу, що виходять від Сонця, яке суть величезний реактор, який знаходиться від нас на відстані восьми світлових хвилин».

Ще один ключовий фактор - це сила тяжкості. Маса Сонця приблизно в 300 тисяч разів більша, ніж маса Землі, а це означає, що нам довелося проявити творчий підхід, щоб реакції синтезу протікали правильно. Найбільш кращий підхід у його нинішньому вигляді полягає у використанні магнітних полів, які можна застосовувати для утримання двох важких форм водню, дейтерію і тритію, у пристрої у формі пончика, який називається токамак.

Майбутнє токамаків

Всередині китайського токамака EAST

Токамаки є одним з прикладів системи магнітного утримання для ядерного синтезу, і саме вони вважаються найбільш доцільними з точки зору чистого вироблення електроенергії. Ці агрегати складаються з акуратного ряду котушок, розміщених навколо реактора у формі тора, в якому плазма нагрівається до мільйонів градусів за допомогою сильного внутрішнього струму. Ідея полягає в тому, щоб утримувати плазму досить довго, щоб стало можливим злиття ядер.

Перші токамаки були розроблені в 1950-х роках, а в 1991 році токамак Joint European Torus (JET) у Великобританії став першим пристроєм, що забезпечує контрольоване вивільнення енергії термоядерного синтезу. Потім він встановив рекорд вихідної потужності для пристрою токамака з потужністю 16 МВт 1997 року. Незважаючи на це видатне досягнення, для нагріву плазми все ще потрібно 24 МВт потужності, а це означає, що експерименти не дотягували до отримання чистої енергії, при якій ККД пристрою був би більше нуля. Грубо кажучи, процес протікав правильно, але витрати енергії на нього перевищували отриманий результат.

JET працює і сьогодні, і з тих пір до нього приєдналося безліч інших токамаків по всьому світу. У список входять китайський експериментальний вдосконалений надпровідний токамак, якому ще в 2018 році вдалося досягти температури 100 мільйонів градусів за Цельсієм, і пристрій Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR), який у грудні минулого року встановив світовий рекорд, утримуючи плазму на рівні понад 100 мільйонів ° C протягом 20 секунд, також часта, як світова.

Нутрощі будівлі, яка розмістить найбільший токамак в історії

Незважаючи на ці досягнення, точка беззбитковості по енергії для термоядерного синтезу залишається невловимою. Багато вчених покладають великі надії на пристрій наступного покоління, яке в даний час знаходиться в стадії розробки. ITER, або Міжнародний термоядерний експериментальний реактор, - один з найбільш амбітних енергетичних проектів, які коли-небудь робило людство, за участю вчених та інженерів з 35 країн. Коли він буде завершений (якщо все пройде благополучно, то до 2025 року), то стане найбільшим у світі пристроєм ядерного синтезу.

Семиповерховий ITER буде токамаком, що приймає потоки плазми в 10 разів більше, ніж ті, які утворюються в сучасних аналогах. Якщо JET вдалося виробити 16 МВт вихідної потужності з 24 МВт необхідних, то ITER спроектований для вироблення 500 МВт потужності при витратах всього в 50 МВт, що, нарешті, дозволить отримувати приріст енергії. Однак ця енергія не буде вловлюватися у вигляді електрики. Швидше, ITER послужить випробувальним стендом для технологій, які, як очікується, будуть лежати в основі перших в історії термоядерних електростанцій з практичним застосуванням.