Приручене сонце. Розповідаємо про термоядерну реакцію, що змінює майбутнє людства

Вартість експерименту склала 3,5 млрд доларів. Давайте з’ясуємо чому цей експеримент може стати наріжним каменем енергетичної революції людства, та розібратись “на пальцях” у тому, що ж таке термоядерна реакція і чим вона відрізняється від ядерної. 

Зміст:

• що саме відбулось у Ліверморській лабораторії?

• чому Ліверморський експеримент величезне значення для науки?

• що таке термоядерна реакція, та чому раніше вчені не могли отримати подібні результати;

• як успіх Ліверморського експерименту вплине на глобальну енергетику;

• перспективи які відкриває для людства повноцінне освоєння технології термоядерного синтезу.

Що ж саме відбулось у Ліверморській національній лабораторії?

Експеримент, про успіх якого оголосили 5 грудня 2022 полягав у наступному:

• вчені створили експериментальний реактор, в якому зону термоядерної реакції мали розігріти і водночас ізолювати 192 потужні лазерні випромінювачі;

• невеликий об’єм водню стиснули в умовну “капсулу” розміром з горошину, для того щоб внаслідок реакції термоядерного синтезу отримати з нього дейтерій і тритій (ізотопи водню*);

• лазерні випромінювачі направили на капсулу (насправді просто згусток водню) так, щоб вона опинилась між ними не контактуючи з зовнішнім середовищем. Головне завдання лазерів – ізолювати та нагріти “капсулу”. Ізоляція необхідна, адже реакція термоядерного синтезу проходить за температур що перевищують 100 000 000 °С, тобто будь яка речовина що увійде в контакт з зоною синтезу миттєво випарується;

• внаслідок реакції виникає тиск, що перевищує атмосферний у 100 млрд. разів;

• після нагрівання до потрібної температури і досягнення потрібного тиску запускається процесс термоядерного синтезу (термоядерна реакція), що супроводжується значним виділенням енергії.

* Ізотоп, це один і той самий хімічний елемент, що має різну кількість нейтронів на орбіті атому, а отже різне масове число.

“Вузькі місця” цього досліду

Вчені оголосили про профіцит (позитивний баланс експерименту) виходячи з того, що загальна потужність випромінювання всіх лазерів склала 2 МДж (Мегаджоулі), а в результаті термоядерного синтезу виділилось 3 МДж енергії, тобто в 1,5 рази більше.

Але диявол тут ховається у деталях, бо для того аби попередньо зарядити 192 лазерні випромінювачі та підтримувати роботу всього експериментального реактору в цілому, було витрачено 477 МДж енергії. Тобто вчені вирахували профіцит виходячи виключно з тієї енергії що була направлена на “капсулу” та виділялась нею під час самого експерименту. 

Фактичний коефіцієнт корисної дії (ККД) термоядерної реакції в “Ліверморському експерименті” ледь-ледь перевищує 0,5%.

Якщо ж оперувати зрозумілими на побутовому рівні числами, то реактор спромігся згенерувати потужність достатню, аби довести до кипіння 10-15 дволітрових чайників води. Співставивши цей результат з витраченими на дослід 3,5 млрд $ може здатись що це страшенне марнотратство, але така ціна наукового поступу. Поки що про комерційне застосування не йдеться, а вчені намагаються намацати шлях до вдосконалення технології. 

Чому “Ліверморський експеримент” має величезне значення для науки?

Професор фізики плазми Джеремі Читтенден з Великобританії назвав цей експеримент справжнім проривом, хоча і зазначив, що від нього до побудови термоядерної електростанції ще довгий шлях. Проте науковець наголосив, що головний результат – це розуміння того, що ефективне приборкання термоядерного синтезу реальна та досяжна ціль.

Вчені кажуть, що для побудови повноцінної термоядерної електростанції реактор має давати принаймні в 10 разів більше енергії ніж було затрачено на його роботу.

Щоб зрозуміти в чому глобальне значення “Ліверморського експерименту” варто згадати, що наразі найбільш енергоефективними електростанціями є “ядерні”. В реакторі такої електростанції проходить процес розщеплення (поділу) ядер урану, що супроводжується значним виділенням енергії. Крім енергії, в процесі роботи реактора ми отримуємо певну кількість високотоксичних радіоактивних відходів, котрі потребують правильної та дуже дорогої утилізації.

Термоядерний синтез дає енергії в 4 рази більше ніж можна отримати від реакції розпаду ядер, і, що важливіше, реакція синтезу екологічно “чиста”. В результаті синтезу утворюються ізотопи водню, які потім легко перетворити на звичайну воду.

Отже “Ліверморський експеримент” поступово наближає вчених до того, щоб замінити електростанції “розпаду” з усіма їх недоліками, на електростанції “синтезу”, котрі не руйнують екосистему планети. 

Що таке термоядерна реакція, та чому раніше вчені не могли отримати подібні результати?

На відміну від реакції розпаду чи поділу атомів (ядерної), термоядерна реакція є процесом злиття двох атомів у єдине ціле. Фактично, хімічний елемент перетворюється на власний ізотоп, збільшуючи вагу і кількість елементарних часток на орбіті. Тут варто згадати структуру атома будь-якої речовини, що подібна до нашої сонячної системи. Атом є “сонцем”, навколо якого вільно обертаються елементарні частинки: нейтрони, протони та електрони. Коли зливаються два ядра, від них відриваються електрони, створюється величезний тиск  і вивільняється значна кількість енергії. А елементарні частинки з двох ядер залишаються на орбіті одного, нового ядра, збільшуючи його масу. 

Чиста енергія реакції термоядерного синтезу розраховується за відомою формулою Ейнштейна E = mc². Де E – енергія, m – маса синтезованої речовини, а c – швидкість світла у вакуумі, що рівна 299 792 458 м/с.

Термоядерний синтез відбувається у надрах більшості зірок видимого з Землі всесвіту, зокрема й Сонця. Саме цей фізичний процес дозволяє Сонцю освітлювати й зігрівати нашу планету. 

Чому ж вчені досі не спромоглись провести профіцитну термоядерну реакцію?

Поправка на гравітацію. Перша проблема, з якою зіткнулися вчені намагаючись провести керовану термоядерну реакцію в лабораторії, це різниця між гравітацією (силою тяжіння) на Сонці та на Землі. Річ у тім, що сонячна гравітація більша за земну приблизно у 30 разів.  Отже на Сонці, синтез ядер відбувається за температур близько 10 млн °C, але на Землі той самий термоядерний синтез потребує значно вищих температур – приблизно 100 млн °C (вдесятеро більше).

Отже плазму (розпечену до цільової температури речовину, в якій відбуватиметься синтез) потрібно було втримати у безконтактний спосіб. Річ у тім, що будь-яка відома науці речовина за температури 100 млн °C миттєво випаровується (переходить у стан газу).

Перші теоретичні розрахунки для утримання плазми в рамках керованого термоядерного синтезу здійснив український фізик Олег Лаврентьєв. Саме він вперше висунув ідею використання термоядерної енергії у промислових масштабах, та розробив схему ізоляції плазми за допомогою електричного поля. Ідея була в тому, щоб плазму утримувала “пастка” створена потужним електромагнітним полем згенерованим силовою установкою.

Пізніше, його теоретична праця знайшла практичне втілення в установці ТоКаМаК (Тороїдальна камера з магнітними котушками). Тороїдальну форму установки (у вигляді бублика) запропонували російські вчені Ігор Тамм та Андрій Сахаров (творець водневої “термоядерної” бомби). Вони створили базові креслення ТоКаМаКу й довели проект до практичного втілення.

Перший ТоКаМаК було збудовано й запущено у 1955 році, він отримав назву Т-1. Більш-менш притомних результатів вдалось досягнути тільки на установці з кодовою назвою Т-3, спорудженій у Курчатовському Інституті в 1958. Тоді вченим вдалось утримувати згусток плазми об’ємом ~ 5х1019 м-3 (менше ніж найпростіші бактерії) протягом 0,2 секунди. Про якийсь профіцит реакції не йшлося, головним завданням було утримання плазми, в якій проходив синтез.

На сьогодні у світі є біля 90 діючих установок типу ТоКаМаК. Найкращих результатів досягли південнокорейські вчені, чия установка KSTAR у 2020 змогла розігріти плазму до потрібних 100 млн °C та утримувати її протягом 20 секунд - ви можете переглянути випуск новин про цю подію. Вже у 2022 вони покращили показники, досягнувши температури у 120 млн градусів, а час утримання плазми зріс до 17 хвилин – умови більш ніж достатні для того, аби почати розробку електростанції, про що ми розповімо у наступному розділі. Але й ця установка була дефіцитною і працювала “в мінус”.

Першим кроком до досягнення енергетичного профіциту став принципово новий підхід до утримання плазми – імпульсний. Який запропонували та самі реалізували вчені Ліверморської лабораторії в США.

Та навіть цей, вдалий експеримент, зіткнувся з тими самими проблемами, що і всі попередні ТоКаМаКи, та інші інженерні ідеї з утримання плазми. Головною проблемою, котра досі стоїть перед вченими на шляху до проекту діючої термоядерної електростанції є енергоефективний контроль плазми.

Термоядерний синтез відбувається за колосальних температур зі згустком розпеченої плазми. Якщо ви колись пробували стиснути повітряну кулю, то маєте розуміти чому саме це надзвичайно складно. А у згустку плазми в установці немає зовнішньої оболонки, бо жодна речовина не може слугувати капсулою для нього через надвисоку температуру. Отже, у випадку “Ліверморського експерименту” промені 192 лазерів мали бути направлені так, аби їх імпульси чітко сходились у єдиній точці – центрі плазмового згустку. За найменшої похибки керований синтез міг би перетворитись на некерований. Вище ми вже згадували, що для повного заряджання всіх цих лазерів довелось витратити більше енергії ніж було отримано від синтезу. До цього потрібно додати, що заряджання лазерних установок тривало біля тижня. 

Як успіх “Ліверморського експерименту” вплине на глобальну енергетику?

На даний момент у Франції тривають будівельні роботи зі створення діючого ТоКаМаКу, ITER (Міжнародний термоядерний експериментальний реактор – транскрипція укр.). У його розробці французьким вченим допомагають вчені з КНР (Китайської народної республіки). Цей ТоКаМаК матиме не тороїдальний (у формі бублика) а сферичний магнітний генератор, що дозволить підвищити його енергоефективність і вийти у профіцит. Будівництво планується завершити у 2025 році.

“Ліверморський експеримент”, хоч і мав інший принцип утримання плазми, суттєво вплинув на концепцію французького ITER, оскільки дав вченим розуміння, у якому напрямку рухатись, аби врешті досягнути профіцитності реакції.

Якщо вдастся досягти 10 кратного профіциту у роботі експериментального реактора, то глобальна енергетика докорінно зміниться. Найперше, це означатиме що розробка Термоядерної електростанції практично можлива і в цю розробку почнуть інвестувати країни, що мають відповідні технології та спроможності.

Зникне з повістки проблема утилізації та мінімізації ядерних відходів, що утворюються внаслідок роботи теперішніх атомних електростанцій. Зникне проблема сировини – для роботи АЕС потрібен уран, а термоядерний синтез потребує лише водню, котрий просто виділити з води. Отже сировинною базою для отримання електроенергії стане весь світовий океан.

Отримані внаслідок термоядерного синтезу ізотопи водню легко вступають у реакцію з киснем знову утворюючи молекули води. Отже сировини для електростанцій майбутнього не тільки необмежена кількість, але вона ще й має здатність до рекомбінації (самовідновлення). 

Перспективи які відкриє для людства освоєння технології термоядерного синтезу

Що ж принесе людству масове створення термоядерних електростанцій? Найперше – серйозне здешевлення електроенергії та екологічні бенефіти, про котрі ми вже згадали вище. Можна буде відмовитись від частини відновлюваних джерел електроенергії, таких як гідроелектростанції та вітряки. Перші руйнують екосистеми річок та струмків, а другі досить дорогі в обслуговуванні.

Внаслідок суттєвого здешевлення електроенергії зменшиться значення невідновлюваних енергоресурсів таких як нафта та газ. А це означає, що певні автократичні країни зі значними запасами цих ресурсів втратять частину впливу на міжнародній арені та важелі для геополітичного шантажу. Крім того, розробка нафтових та газових родовищ також шкідлива для екології планети. 

На сьогодні три діючі АЕС забезпечують Україну електроенергією приблизно на 115%. До війни наша держава могла експортувати надлишок електроенергії у країни ЄС та отримувати прибуток. Якщо ж уявити що їх може замінити одна єдина ТЕС (термоядерна електростанція), безвідходна й екологічно чиста, то прибуток держави зменшується (бо електроенергія здешевіє), але зменшуються й видатки на екологію та утилізацію ядерних відходів. У комплексі це дозволить покращити енергетичну незалежність країни. Такий самий сценарій можна втілити у будь-якій іншій країні світу, що отримає доступ до нових технологій.