Керований термоядерний синтез – диво, яке давно чекають і яке все ніяк не стане реальністю. Нічого ефективніше, ніж побудована на термоядерному синтезі енергетика, бути не може. Після винаходу термоядерних електростанцій енергії стане стільки, що вистачить усім, до того ж майже задарма. Але титанічні зусилля вчених досі не увінчалися успіхом, хоча б’ються над цією проблемою вже понад півстоліття. Тож чи можна досягти термоядерну досконалість?
Термоядерний синтез гелію з водню – найпоширеніша реакція у Всесвіті. І найефективніша у плані виходу енергії по відношенню до маси використаного пального. А ще, мабуть, найекономічніша, оскільки у Всесвіті взагалі мало що є, крім водню.
Якщо ми отримуємо енергію не шляхом термоядерного синтезу, ми отримуємо її неоптимальним способом. Будь-яке інше джерело явно менш продуктивне, споживає паливо, запаси якого (порівняно з запасами водню) обмежені, а найчастіше воно ще й отруює довкілля відходами. У термоядерного реактора в цьому відношенні все ідеально, гелій не відхід, а нешкідливий газ для повітряних кульок.
І все ж таки ідея термоядерної енергетики не особливо популярна у фантастів. Звідки береться електроенергія у процвітаючих світах майбутнього, зазвичай не говорять взагалі або згадують якийсь люксоген із дробовою просторовою розмірністю. Письменники інтуїтивно чули пов’язаний з термоядерним синтезом підступ. Вчені ж, навпаки, довгий час важливих труднощів не передбачали.
Першими спровокувати термоядерні реакції намагалися ще вчені нацистської Німеччини. Німці наївно сподівалися викликати детонацію важкого водню хімічною вибухівкою та поміщали дейтерій усередину кумулятивної вирви (на фото — німецький ядерний об’єкт у 1945 році)
У 1950-х проблема здавалася складною, але можна вирішити. Правда, в ту технооптимістичну епоху «складною, але розв’язною» вважалося взагалі будь-яке завдання, яке вдалося чітко сформулювати. У 1960-х футурологи, спираючись на аналогію з ядерною та водневою бомбами, впевнено передбачали, що епоха термоядерної енергетики настане через десять-п’ятнадцять років після будівництва першої АЕС. Фізики не заперечували.
Ні в 1970-ті, ні в 1980-ті водневі електростанції не з’явилися. Але вчені не сумнівалися: промисловий синтез можливий навіть із доступними технологіями, якщо їх правильно застосувати.
До 1990-х стало ясно, що без принципово нових технологій та поглиблення теоретичних знань з ядерної фізики термоядерне полум’я приручити не вдасться. Прогноз погіршили до 25 років. А на початку ХХІ сторіччя – до п’ятдесяти. Теоретичні знання поглибилися настільки, що стало незрозуміло, з якого боку підступитись до завдання.
На планеті Плюк із фільму «Кін-дза-дза» скінчилася вода, оскільки з неї робили луць — пальне для зорельотів. Логічно припустити, що луць – це водень
Проблема в тому, що синтезні реакції відрізняються високим порогом. Важке ядро урану намагається розпастися саме собою, але протони — ядра водню — відштовхуються друг від друга кулонівської силою. Якщо зламати опір однойменних зарядів, то при злитті частинок виділиться незрівнянно більше енергії, ніж витрачено. Але без початкових вкладень не обійтися.
Здавалося б, дрібниця. Ну поріг, та й що? З погляду фізики високих енергій, це не поріг, а курям на сміх! Потужний прискорювач частинок не просто зіткне протони лобами, він розплющить їх один про одного в кварк-глюонну плазму! Але кварки нам не потрібні. Так що беремо синхротрон простіше і направляємо пучок протонів на мішень з матеріалу, що містить водень. Поріг реакції долатиметься, і в мішені почнеться синтез.
Термоядерний реактор ZETA, 1957 рік
Електроядерні реактори існують кілька десятиліть і, крім експериментальних цілей, застосовують для виробництва цінних ізотопів. Але виробляти енергію у такий спосіб, на жаль, не можна. Ядро атома водню, порівняно з самим атомом, дуже мало, і потрапити «прискореним» протоном у яблучко мішені важко. “Снаряд” просто загрузне в нескінченних електронних оболонках, розтративши енергію на нагрівання мішені, і ніякої термоядерної реакції не відбудеться. Можна позбавитися електронів, пустивши назустріч один одному пучки повністю іонізованих частинок, але принципово ситуацію це не змінить. Зіткнення будуть надто рідкісними, щоб вихід від термоядерних реакцій виправдав витрати на розгін частинок.
Термоядерний синтез виявиться економічно доцільним, тільки якщо реакція стане ланцюговою: щоб необхідна подолання бар’єру температура в камері згоряння досягалася рахунок самого синтезу ядер.
Що ж до «холодного» синтезу, про його «відкриття» іноді оголошують ще з 1990-х. Винахідники, щоправда, ніколи не уточнюють, яка саме із термоядерних реакцій у них відбулася. Адже реакцію синтезу упізнають за продуктами, що вилітають із активної зони. Якщо при холодному синтезі немає радіації — значить, немає і синтезу.
Друга частина проблеми в тому, що проводити протон-протонний синтез не лише складно, а й безглуздо. При зіткненні двох протонів народжується дейтрон – ядро важкого водню, що складається з протона і нейтрона, плюс позитрон і нейтрино. Левову частку енергії забирає нейтрино, що проходить крізь нашу планету, як світло крізь скло, і, як наслідок, малопридатне для кип’ятіння води.
Ось і виходить, що хоча водню у Всесвіті багато, економіці від нього користі ніякої. У надрах Сонця протон-протонний синтез — лише перший крок водень-гелія циклу, адже чотири ядра водню зливаються в ядро гелію не відразу, а в три прийоми. Але для завершення циклу важливо, щоб проміжні продукти синтезу – дейтерій та гелій-3 – не залишали зону реакції, а енергія, що виділилася на попередньому етапі, спрощувала подолання бар’єру реакції на наступному. Зірки здатні це забезпечити. Водень у їхніх ядрах знаходиться у надтвердій та надщільній («металевій») формі. Ядрам дейтерію та гелію-3 просто нікуди подітися!
Сонячні, приливні, вітрові та навіть гідроелектростанції використовують енергію Сонця. Тобто термоядерну. Отже назвати ці джерела «відновлюваними» неправильно. Ніхто новий водень на Сонце не підвозить!
Отже, імітація природних процесів – не наш шлях. Розігрітий до мільйонів градусів металевий водень не можна отримати у лабораторних умовах. А якби й було можна, то мільярд років вибивати з нього енергію по іскрі — ідея сумнівна. Термоядерний реактор повинен відтворювати не буденне тління світил, а умови вибуху наднової, коли реакції йдуть за температури, що забезпечує подолання кулонівського бар’єру при кожному зіткненні.
Саме завдяки тому, що серцевини зірок складаються з твердого водню, термоядерні реакції можуть йти в них за температури якихось шість мільйонів градусів. Для подолання кулонівського бар’єру цього не вистачить. Однак деякі ядра виявляються досить «гарячими» для вступу в реакцію. Це рідкість навіть при величезному стисканні, тому зірки і живуть мільярди років. Випромінювання зазвичай забирає трохи більше енергії, ніж виділяється в термоядерних реакціях. Якщо ж баланс позитивний, температура починає зростати, інтенсивність синтезу збільшується за експонентом, і зірка спалахує, як наднова.
Звичайно, утримувати розігріту до температури 100 мільйонів кельвінів речовину можна лише у плазмовій формі. Причому йдеться тут про плазму у тому сенсі, який вкладають у цей термін фізики. Фізична плазма – не іонізований газ, а четвертий агрегатний стан речовини, що спостерігається при розрідженні настільки високому, що взаємодію частинок можна знехтувати. Плазма не підкоряється звичайним для газу законам. У ній немає тиску, вона не нагрівається при стиску та, що особливо приємно, не прагне зайняти весь доступний об’єм. Ціною мінімальних витрат її можна утримувати у магнітній пастці у формі кільця. Незалежно від температури, ядра слухняно бігатимуть по колу поблизу центральної осі відкачаної труби.
Тороїдальна магнітна пастка
Ситуація начебто парадоксальна. Немає взаємодії – не може бути і зіткнень, реакцій синтезу та розігріву речовини. Але межа між плазмою та газом тонка. Скажімо, хоча кожен кубічний кілометр космічної туманності є плазмою, хмара в цілому живе за законами газу. Туманність настільки велика, що молекула неспроможна залишити її межі без взаємодій коїться з іншими. Так і в магнітній пастці за будь-якої щільності речовина буде газом, адже пробіг нескінченний, і одна частка неодмінно зіткнеться з іншою. При цьому зі зростанням температури (а отже, і швидкості, і відстані, що долається часткою за одиницю часу) зростатиме і тиск. У площині поперечної лінії руху частинки існуватимуть за законами плазми.
Ідею палаючого кільця, щільного в одному вимірі і високого вакууму в інших, вже в 1950-х успішно втілили в радянських установках ТОКАМАК і американських стелараторах, що відрізняються способами попереднього розігріву палива. І в СРСР, і в США як термоядерне паливо використовували суміш дейтерію і тритію, так як реакції за участю важкого і надважкого водню можливі за меншої, ніж в інших елементів, температури.
Реакції починалися, але кільце через зміну температури і щільності втрачало стабільність і розсіювалося. Все ж таки реактори вдосконалювалися. Вже наприкінці 1970-х дослідники вважали, що перемога близька і «позитивний вихід» (при ланцюговій реакції синтезу виділяється більше енергії, ніж витрачено на її запуск) буде досягнуто відразу, як тільки їм виділять грошей на нову, дорожчу установку.
Новий ТОКАМАК (Казахстан)
Але ні, позитивного виходу досягнуто не було. А наприкінці минулого століття навіть у оптимістів виникла підозра, що це й на краще. Проблема термоядерного синтезу полягала у тритії. У разі синтезу за участю важкого і надважкого водню 80% енергії, що виділилася, відносив нейтрон, що народжується в реакції.
Ці частинки, що не мають заряду, поєднують високу проникаючу здатність з винятковою шкідливістю. З електронними оболонками атомів нейтрони не взаємодіють, що дозволяє їм долати десятки метрів бетону та свинцю. Потрапляючи в атомне ядро, нейтрон або руйнує його, або поглинається ним, перетворюючись на радіоактивний ізотоп. А бульбашки газу, що утворюються в матеріалі, призводять до втрати міцності, деформації та руйнування сталевих деталей. У найкращому разі після безлічі рикошетів нейтрон просто розпадається і стає атомом водню.
Персонал електростанції може сховатися від нейтронного випромінювання за басейнами з водою (вони у будь-якому разі знадобляться для охолодження), але захистити реактор від нейтронів не вийде. А енергетична установка, що витрачає 80% енергії, що виділяється на саморуйнування, прослужить недовго.
Інші 20% енергії обійдуться надто дорого. Тритій не зустрічається у природі, його одержують штучно в ядерних реакторах за ціною 30 мільйонів доларів за кілограм. А з урахуванням нейтронних втрат кілограм тритію може замінити лише три тисячі тонн нафти. Навіть якщо «чорне золото» раптом подорожчає до 1600 доларів за барель, дейтерій-тритієва енергетика не стане економічно економічно виправданою. Адже для отримання тритію все одно потрібні ядерні реактори, які споживають уран, а отже, електрику дешевше вироблятиме на АЕС.
Тритій радіоактивний, але при розпаді його ядра виділяються лише нейтрино та електрон. Останній такий слабкий, що шкодить лише якщо важкий водень включився до складу тканин організму. Брелок з тритієвим підсвічуванням – це безпечно. Навіть якщо його проковтнути
Оскільки тритій як термоядерне пальне не витримує критики, надії пов’язують із ізотопом гелій-3. Поріг його реакції з дейтерієм істотно вищий, оскільки два протони гелієвого ядра відштовхують третій з удвічі більшою силою. Але продуктами синтезу виявляються ядро звичайного гелію (альфа-частка) та протон, що вже дає виграш уп’ятеро завдяки відсутності нейтронних втрат.
Крім того, гелій-3, на відміну від тритію, стабільний і зустрічається у природі. Його багато на Місяці. Ще у 1980-х роках підрахували, що доставка гелію з Місяця на Землю є економічно виправданою. Для покриття річних потреб людства в енергії потрібно лише сотня тонн цього газу. Інше питання, що видобуток такої кількості гелію-3 передбачає переробку мільярдів тонн місячного ґрунту. Так що поки що вигідніше виробляти гелій-3 штучно. Із тритію. І це ставить під сумнів свідомість розробки навіть експериментальних установок для термоядерних реакцій за участю гелію.
Саме гелій-3 добуває на Місяці герой фільму «Місяць-2112»
З різних причин ізотопи перших двох хімічних елементів у будь-яких комбінаціях для енергетики майбутнього марні. Як і під час створення водневої бомби, дослідники переконалися, що тільки третій елемент періодичної таблиці — літій — можна покластися. Він безпечний, не виробляє нейтрони при синтезі і, на відміну від реакторних ізотопів водню та гелію, нічого не варте.
Але у випадку з літієм уже три протони об’єднаними силами відштовхуватимуть четвертий! І ця різниця – вирішальна. У тороїдальному (у формі бублика) плазмовому реакторі ізотопи водню горять на практиці. Гелій… винен у теорії. Літій же не винен взагалі! При температурі детонації ядер плазма не може мати необхідну для ланцюгової реакції щільність.
Термоядерний ракетний двигун
Найпотужніший і якісно найкращий серед усіх, що ми можемо уявити. У сучасному іонному двигуні ядерна енергія перетворюється на електричну, а електрична — на кінетичну енергію прискореного полем іонізованого газу. У соплі термоядерної ракети енергія синтезу перетворюється на кінетичну одночасно. Робочим тілом є продукт реакції – гелій, прискорений термоядерним жаром до 40 000 км/с (13% від швидкості світла).
Літій — ще один кандидат у рятівники термоядерного синтезу
Те, що поріг вступу літію в термоядерні реакції хоч і високий, але подолаємо, експериментально встановлено понад півстоліття тому. Потрібно тільки розумно взятися за справу. Якщо капсулу з дейтеридом літію спершу обтиснути близьким ядерним вибухом, а потім, у момент, коли її обсяг скоротиться вдесятеро, підірвати всередині капсули другий ядерний заряд, то на фронті зіткнення ударних хвиль все вийде. І перш ніж кинуті назустріч один одному атоми зрозуміють, куди їм розлітатись, термоядерний заряд встигне вигоріти.
Оскільки енергії, що виділилася, не так просто залишити зону реакції, синтез, неможливий у плазмі, в стислій речовині навіть при відносно низькій температурі розгорається за ланцюговим принципом. Не використовувати таку перевагу безглуздо. Імпульсні реактори, в яких термоядерна енергія виділяється в процесі мікровибухів, почали розробляти одночасно з плазмовими – ще у 1950-х роках.
Довгий час, втім, було більше розмов, аніж реальних справ. Незважаючи на примітивність спільного задуму, складність установки не відповідала технологіям минулого століття. Детонацію відра літію, скажімо, можна викликати зустрічним вибухом пари атомних бомб. Але чим з достатньою силою вдарити по крупиці термоядерного пального, що важить одну соту грама?!
Цільова камера на National Ignition Facility (NIF)
Двометрова в діаметрі сфера, внутрішня поверхня якої повністю складається з «стволів» спрямованих до центру лазерів, сама по собі фантастична. Але ще фантастичнішим є принцип дії імпульсного реактора. Залп світлових гармат повинен не звернути до пари (що легко уявити), а, навпаки, стиснути, обтиснути тиском випромінювання триміліметрову паливну таблетку до діаметра в міліметр або менше.
Картина ця так вражала уяву, що половина дослідників, засівши за обчислення, про всяк випадок поспішила міцніше обгрунтувати теоретичну неможливість роботи побудованого на божевільному принципі реактора. Інша ж половина наполегливо намагалася імпульсну установку створити — і теж досягла успіху. У 2013 році в Каліфорнії на реакторі NIF був досягнутий «позитивний вихід», що так і залишився недосяжним для плазмових реакторів.
Святкувати перемогу зарано. Справа не тільки в тому, що як паливні таблетки NIF використовували скляні кульки з дейтерій-тритієвим льодом, а тому енергія, що перевищила витрати на лазерний імпульс, виділилася у формі швидких нейтронів, що не мають цінності. Досягши успіху з воднем, можна буде перейти до експериментів з гелієм, а потім і з літієм, замінивши лазери на ефективніші циклічні прискорювачі.
Вугілля майбутнього: сподумен – прозорий мінерал, що містить літій
Але на цьому етапі на повне зростання постає четверта проблема термоядерного синтезу. Як перетворювати енергію, що виділяється в активній зоні, в електрику, невідомо нікому. Випущені на волю сили мікросвіту породжують занадто жорстке для використання в мирних цілях випромінювання.
Якщо, як у нинішніх електростанціях, хімічне або ядерне полум’я нагріває стінки котла з водою, тиск пари обертатиме лопаті турбіни. Але ж швидкі нейтрони просто пройдуть крізь котел! Основний продукт «безнейтронного» синтезу — альфа-частинки — відрізняє, навпаки, низька пробивна, зате величезна руйнівна сила. Народжене в активній зоні ядро гелію не відскочить від стінки – воно встромиться в перешкоду, звернувши речовину в пару і утворивши кратер!
У свій час модно було твердити, що «проблема термоядерної енергетики — це проблема створення нових матеріалів», але поступово переважала інша думка. За законами нашого Всесвіту матеріали, які без шкоди поглинають швидкі нейтрони і не тануть під градом релятивістських альфа-часток, існувати не повинні. Отже, проблема не в них, а у Всесвіті. Та просто не пристосована для термоядерних реакторів існуючих типів!
У наші дні дослідження в галузі керованого термоядерного синтезу продовжуються з успіхом і повним усвідомленням того, що мета недосяжна методами, які ми зараз можемо уявити. У таких ситуаціях люди зазвичай кажуть: «Не дуже й хотілося!» – І шукають інше застосування своїм талантам. Але тут не той випадок. Термоядерна енергія — настільки значущий для людства приз, що працює інший принцип: «Якщо не можна, але дуже хочеться, то можна».
А дуже хочеться! Тільки термоядерна енергія дозволить колонізувати Сонячну систему, переправляючи вантажі на Марс не тоннами, а мільйонами тонн, переганяючи на навколоземну орбіту залізонікелеві астероїди і добираючись супутників Нептуна за три-чотири місяці.
У фільмі «Залізне небо» земні наддержави побилися за гелій-3
* * *
Енергія синтезу, яку можна одержувати без обмежень (літію не так багато, як водню, але достатньо), повністю змінить Землю. Чи стануть можливими глобальні проекти, скажімо, з очищення атмосфери від надлишку парникових газів, що накопичилися в епоху вуглеводневої енергетики.
Вуглекислий газ з атмосфери в будь-якому випадку доведеться вилучати, одночасно підвищуючи щільність хмарності, що відображає сонячне світло. Адже необмежене виробництво електроенергії, яка здебільшого переходить у тепло, обов’язково призведе до перегріву планети. Але нові, немислимі зараз можливості термоядерної ери напевно дозволять згладити гостроту проблем, ними ж породжених.
