В начале апреля учёные из Корейского института термоядерной энергии (KFE) сообщили о достижении рекордного времени удержания сверхгорячей плазмы в магнитном поле. В последнее время подобные новости появляются все чаще, а оптимисты верят, что термоядерные электростанции уже не за горами и до конца текущего десятилетия начнут заливать человечество экологически чистой, безвредной для климата и при этом дешевой энергией. Звучит, как фантастика, но государства и частные инвесторы все охотнее вкладываются в термоядерный синтез, разогревая тему, подобно той самой плазме.
Минусы мирного атома
Существующие сейчас атомные электростанции работают за счёт расщепления тяжелых элементов, прежде всего урана. Очень упрощенно говоря, распад каждого атомного ядра урана-235 порождает «осколки» (более лёгкие химические элементы), энергию в виде тепла и радиации и несколько нейтронов, которые, попадая в другие атомы урана, тоже могут вызвать их распад. Если процесс идёт достаточно интенсивно, начинается цепная реакция — количество распадов возрастает лавинообразно, порождая ещё больше нейтронов и ещё больше распадов. Если цепную реакцию не затормозить, происходит ядерный взрыв, это принцип работы атомной бомбы.
Со временем инженеры научились регулировать интенсивность этого процесса, поддерживая его в режиме «тления», чтобы он не затухал и не разгонялся до опасных пределов, что дало возможность генерировать энергию, избегая ядерного взрыва. Так были созданы атомные электростанции (АЭС). Технология получила широкое распространение — в 2023 году в мире работали 436 энергетических ядерных реакторов в 32 странах. Они производят около 10% мировой электроэнергии (в некоторых странах до 20%).
Преимущество АЭС в том, что они не требуют сжигания огромного количества топлива, в отличие от угольных или газовых электростанций, и не выбрасывают в атмосферу миллионы тонн продуктов горения, в первую очередь углекислого газа, который считается основной причиной глобального изменения климата.
По данным World Nuclear Association, производство электроэнергии на типичной АЭС мощностью 1000 мегаватт, которая может обеспечить потребности более миллиона человек, создает три кубических метра высокоактивных отходов в год. Для сравнения: угольная электростанция мощностью 1000 мегаватт ежегодно производит около 300 тыс. тонн золы и более 6 млн тонн углекислого газа.
Недостатки АЭС тоже хорошо известны. Отработанное ядерное топливо, хоть его и относительно немного, отличается высокой радиоактивностью, которая снижается очень медленно (требуются сотни или тысячи лет), следовательно, для него нужно создавать специальные защищенные хранилища. Аварии на АЭС могут приводить к опасному заражению радиоактивными материалами огромных территорий, что наглядно показала Чернобыльская трагедия. И, наконец, необходимый АЭС уран — это тоже невозобновимый природный ресурс, который рано или поздно закончится (по текущим оценкам через 90-100 лет).
Не удивительно, что человечество упорно ищет альтернативы.
Может сделать и ребёнок
В поисках новых источников энергии учёные обратили взоры к звёздам. В 1920 году британский астрофизик Артур Эддингтон впервые высказал гипотезу, что звезды получают свою бесконечную энергию не за счёт распада тяжелых, а напротив, за счёт синтеза (слияния) лёгких элементов. В недрах звезд самый распространенный во Вселенной (примерно 70% вещества) и самый лёгкий (атомная масса 1) элемент — водород, под влиянием огромной гравитации и температуры претерпевает цепь реакций слияния. Из четырёх ядер водорода получается атом гелия (атомная масса 4), при этом всего 0,7% массы ядер преобразуется в энергию, но этого достаточно, чтобы звезды пылали, как триллионы АЭС.
Термоядерный синтез может генерировать в четыре раза больше энергии на килограмм топлива, чем деление (используемое на АЭС), и почти в 4 млн раз больше энергии, чем сжигание нефти или угля.
Британский физик Эрнест Резерфорд в 1934 году впервые осуществил ядерный синтез атомов дейтерия (тяжелого изотопа водорода) в гелий.
В конце концов, реакции термоядерного синтеза изучили настолько хорошо, что они стали доступны даже школьникам. В 2021 году американский подросток Джексон Освальт попал в книгу рекордов Гиннесса как самый молодой человек, осуществивший реакцию термоядерного синтеза на дому (ему в тот момент было 12 лет). Создание установки обошлось примерно в $10 тыс. большинство деталей были закуплены на Ebay. Однако школьные опыты это одно, а практическая инженерная задача по созданию промышленного производства электроэнергии на основе термоядерного синтеза — нечто совершенно иное.
Рукотворная звезда
В недрах звезд термоядерные реакции идут при температуре около 10-15 млн градусов, потому что им помогает колоссальная гравитация. На земле таких условий нет, поэтому требуется нагреть реагенты гораздо сильнее — до 100-150 млн градусов, как минимум. Разумеется, ни один земной материал таких температур выдержать не может, он мгновенно испарится. Однако любое вещество в подобных условиях переходит в особое состояние ионизированного газа — плазму, а плазму можно удерживать без контакта с материей в магнитном поле.
Идея термоядерного реактора примерно такова — внутри мощного магнитного поля бушует высокотемпературная плазма, в ней идёт термоядерная реакция, порождающая огромное количество тепла, которое нагревает воду, а пар крутит турбины. Топливо — водород, которого во Вселенной и на Земле очень много. Отходы — инертный газ гелий. Радиация — минимальная, гораздо меньше, чем у АЭС. Опасность цепной реакции — нулевая.
Практический вопрос — как долго мы можем удерживать высокотемпературную плазму, которая очень капризна и нестабильна, в магнитном поле? Именно в этом и состоит мировое достижение корейских учёных из KFE — они сумели поддерживать плазму с температурой свыше 100 млн градусов в течение 48 секунд, побив предыдущий рекорд в 30 секунд, установленный в 2021 году.
Чуть раньше, в феврале 2024 года, в британском Оксфордшире учёные получили от термоядерной реакции рекордные 69 мегаджоулей энергии в течение пяти секунд, используя всего 0,2 миллиграмма топлива. Этого достаточно, чтобы обеспечить электроэнергией примерно 12 000 домохозяйств на то же время.
Работой над термоядерной энергией занимаются государства. Один из самых больших проектов — термоядерный реактор ITER, который консорциум из 33 стран строит во Франции. Как ожидается, он начнёт эксперименты в 2025 году. Стоимость ITER оценивается в $22 млрд.
У частных инвесторов тоже проснулся интерес к этой теме. По оценке Fusion Industry Association, в гонке сейчас участвуют 44 компании, рекордное количество за всю историю, объём инвестиций достиг в 2023 году $6,21 млрд.
Среди инвесторов много знаменитых визионеров, например, Сэм Альтман, гендиректор OpenAI (компания-создатель искусственного интеллекта ChatGPT). В 2021 году он инвестировал $375 млн в американский стартап по ядерному синтезу Helion Energy. В мае 2023 года компания Microsoft поддержала Helion, заключив первый в мире предварительный контракт на покупку 50 мегаватт термоядерной энергии, этого количества достаточно для обеспечения электричеством примерно 40 000 домов. Helion планирует начать промышленное производство энергии в 2028 году.
Впрочем, скептики отмечают, что с момента постройки первого экспериментального термоядерного реактора в СССР в 1958 году устойчивое получение термоядерной энергии до сих пор остается ускользающей мечтой — популярная среди физиков поговорка гласит, что термояд «всегда на 30 лет в будущем».
Авторы научного журнала Journal of Fusion Energy даже провели специальное исследование сделанных учёными публичных предсказаний и пришли к выводу, что поговорка была верна ещё 10 лет назад, однако в наши дни среднее ожидание времени до реального запуска термояда в научном сообществе существенно уменьшилось и составляет 17,8 года, что даёт человечеству надежду все же получить много чистой энергии уже в первой половине XXI века.
