Законы физики дают нам возможность получать энергию разными способами. В механике для этого используется движение объектов – веса под воздействием гравитации, текущая вода или движущийся воздух, вращающий колесо либо турбину. Вращательное движение затем используется для генерации электричества. Существуют определённые химические реакции, зависящие от электронных переходов в атомах и молекулах – топливо какого-либо рода подвергается химической реакции, в т.ч. горению, и генерирует энергию, которую мы осваиваем и пускаем в работу. А ещё бывают ядерные реакции, про которых связи между нейтронами и протонами атомных ядер либо разбиваются, либо наоборот, создаются с выходом энергии.
Энергия, добываемая посредством механической работы хороша тем, что для этого используются существующие в природе ресурсы – будь то энергия воды или ветра. Минус же её состоит в том, что у неё есть проблемы с надёжностью и масштабируемостью, а также в том, что она негативно влияет на окружающую среду. Химические реакции используют все формы жизни – будь то фотосинтез у растений или метаболизм у животных. Но как источник энергии реакции горения имеют ограниченный ресурс, и тоже серьёзно загрязняют окружающую среду.
Ядерная энергия тут стоит особняком. Она в сотни тысяч раз эффективнее химических реакций в пересчёте на количество энергии, извлекаемой из единицы массы. И вот, что такое энергия ядерного синтеза и почему она – будущее (но пока не настоящее) добычи энергии на Земли.
Довольно странно, что самые крохотные строительные кирпичики материи – ядра атомов – таят в себе величайший потенциал на выход энергии. Но так и есть. Если электронные переходы в атоме приводят к выделению энергии порядка 1 эВ, то переходы между различными конфигурациями ядер выделяют энергию в миллион раз больше – около 1 МэВ. В целом есть два способа получить энергию при помощи ядер: разделить тяжёлые ядра в реакции деления или объединить лёгкие ядра в реакции синтеза.
И реакция деления, и реакция синтеза проходят с выходом энергии. Самые стабильные элементы таблицы Менделеева – это элементы с номерами от 26 до 28 (железо, кобальт, никель). Более лёгкие элементы выделяют энергию при синтезе, более тяжёлые – при делении.
Атомную бомбу можно сделать и на делении ядер, и на синтезе – обе этих реакции могут перейти в самоподдерживающийся режим с выходом большого количества энергии. Но эти же реакции можно использовать и для других целей.
Реакция деления обычно связана с поглощением нестабильным ядром частицы — например, нейтрона. Когда такое ядро – к примеру, уран-235 — поглощает нейтрон, оно делится на две части, испускает ещё больше нейтронов и вызывает цепную реакцию. Если ход реакции не ограничивается, получается бомба. Если скорость деления можно контролировать, поглощая нейтроны и создавая условия по ограничению их скорости, его можно использовать для получения энергии. Так работают современные ядерные реакторы.
Потенциально ядерный синтез позволяет освобождать больше энергии, чем деление. Синтез происходит в ядрах звёзд, где температура превышает 4 млн °К, и это основная реакция, дающая энергию нашему Солнцу. Выход энергии термоядерной бомбы на порядки превышает таковой у атомной – мегатонны против килотонн.
У всех рассматриваемых типов получения энергии есть три важных проблемных аспекта.
Доступность. Нам нужно, чтобы энергия была доступна по запросу, чтобы мы могли увеличивать её добычу по необходимости, и чтобы мы не тратили ресурсы, если энергия нам не нужна. Тут больше гибкости дают такие надёжные ресурсы, как ископаемое горючее или гидроэлектростанции со стабильным потоком воды, чем такие ненадёжные и капризные, как ветер или солнечная энергия.
Запасы. На Земле энергия ветра и солнца будет существовать (почти) всегда. Запас ископаемого топлива же – угля, нефти и природного газа – конечен. Ресурсов для реакций с делением ядер тоже не бесконечное количество, хотя и больше, чем перечисленных. И тем не менее, чем больше мы добываем и перерабатываем урана и других подходящих элементов, тем сложнее его будет добывать.
Экологичность. Сжигая ископаемое топливо, мы выбрасываем в атмосферу загрязняющие вещества и парниковые газы. Работая с реакциями деления ядер, мы производим радиоактивные остатки – некоторые из них живут мало, а другие останутся многим будущим поколениям людей. По некоторым данным, с начала промышленной революции использование нами энергии повлияло на состояние климата планеты, и эта проблема становится с каждым годом всё серьёзнее.
Эти три аспекта дают представление о том, почему энергия ядерного синтеза является мечтой человечества. Если мы сможем контролировать скорость реакции, мы сможем получать нужное количество энергии по запросу, практически не плодя отходов. Топливо реактора, водород и его изотопы, в изобилии доступно на Земле. Это топливо не закончится и за миллиард лет. И хотя такая реакция может выдавать небольшое количество радиоактивных материалов вроде трития, нет никакого риска расплавления топливных элементов в реакторе или долгосрочного негативного влияния на окружающую среду. Даже по сравнению с солнечной энергией, при получении которой для создания панелей требуется добыча редкоземельных элементов и трата химикатов и конечных ресурсов, энергия синтеза выглядит наиболее экологичной.
Конечно, для всего этого великолепия требуется достичь прогресса в достижении самоподдерживающейся реакции синтеза, которая будет выдавать больше энергии, чем нужно для работы реактора.
Сложной эта проблема является по двум причинам. Во-первых, сама задача запуска термоядерной реакции далеко не банальна. Если ограничиваться таким топливом, как водород, дейтерий, гелий-3 и другими лёгкими стабильными изотопами, для запуска реакции требуются огромные температуры и энергии. Контролировать и поддерживать необходимые для реакции условия чрезвычайно сложно.
Во-вторых, подходить к этой задаче с точки зрения простого производства большего количества энергии, чем было вложено для запуска реакции – значит, создавать бомбу. Вместо этого нужно добиться достаточно медленного производства энергии, чтобы её можно было использовать для реальных дел.
Для достижения точки возврата вложенной энергии требуется как получение в реакции большего количества энергии, чем было вложено, так и извлечение этой энергии и запуск её в работу. Пока что обе проблемы сразу ещё никто не решил, однако исследователи используют три основных подхода для приближения к перевороту в деле получения энергии человечеством.
Подход №1: Магнитное удержание плазмы. Термоядерное топливо – это не просто атомы, это атомные ядра. Один из подходов подразумевает ионизацию атомов, т.е. полное удаление электронов до состояния, в котором останутся только атомные ядра. Получится сверхразогретая плазма из атомных ядер, способных к синтезу – останется только столкнуть их вместе, преодолев силы отталкивания.
Наиболее успешным методом в рамках данного подхода было заключение этой плазмы в одном месте при помощи мощных электромагнитов в тороидальной камере с магнитными катушками – токамаке. Эту схему предложили ещё в 1950-х годах советские физики, а первый токамак они построили в 1954-м. С тех пор эту схему изучают и совершенствуют, и периодически в токамаках проходят термоядерные реакции.
Ключевая сложность данного подхода заключается в удержании плазмы на одном месте, чтобы она не сталкивалась со стенками устройства, и извлечение полученной энергии, которую можно применить с пользой. И хотя такой подход долгое время считался наиболее многообещающим путём к термояду, финансировались эти проекты всегда плачевно и совершенно недостаточно для выхода на долговременные успешные решения.
Подход №2: Инерциальный управляемый термоядерный синтез. А может, проще не возиться со всеми этими магнитными полями, и подойти к задаче методом грубой силы? Если взять небольшую порцию топлива, подверженного синтезу и выстрелить в неё со всех сторон мощными лазерами, это резко повысит её температуру и плотность – возможно, вплоть до инициации термоядерной реакции. И хотя для лазерного выстрела, сжимающего порцию топлива, требуется огромное количество энергии, вполне возможно, что в результате реакции выделится больше энергии и когда-нибудь таким образом будет достигнута точка нулевых затрат.
Подобный подход тоже существует несколько десятилетий, и термоядерные реакции вполне достижимы и таким методом. Но и тут остаются нерешёнными две тех же проблемы. Для запуска реакции требуется накопление огромного количества энергии в конденсаторах и одновременный её выпуск. Самоподдерживающейся реакции не получается – получается только всплеск энергии, после которого возникают трудности со сбором этой энергии.
И хотя мы приближаемся к конечной цели, мы ещё на много порядков не добираем до точки нулевых трат энергии, и эта область остаётся серьёзно недофинансированной.
Подход №3: другие методы. Другие методы предлагают различные частные институты – как добропорядочные, так и подозрительные, а иной раз и просто мошеннические. Из множества альтернативных подходов выделяются два, которые реально способны выдать термоядерную реакцию. Оказывается, что синтеза достичь не так уж и сложно – сложно подобраться к точке нулевых затрат энергии.
Можно попробовать магнитно-инерциальный синтез, в котором сверхразогретая плазма создаётся и удерживается магнитами, после чего окружающие её поршни сжимают её в нужный момент. В результате такой комбинации упомянутых подходов происходит всплеск синтеза. Подобный подход является наиболее популярным среди альтернативных.
А можно попробовать субкритичный синтез, в котором реакция синтеза запускается при помощи субкритической реакции деления, не имеющей шансов расплавления топливных элементов. Этим подходом интересуются многие компании, но пока он дальше всех отстоит от точки нулевых трат энергии.
Как бывает со всеми передовыми технологиями, ими занимаются как множество настоящих исследователей, так и толпа мечтателей и любителей обещать несбыточного. Некоторые из них идут по пути компании Solyndra – занимаются базовыми исследованиями, уповая на маловероятный путь к успеху. Другие ведут себя как Theranos, заявляя о несуществующих технологиях. Пока что область термояда больше похожа на тёмный лес.
Пока что никто не достиг особых успехов, кроме учёных из Ливерморской национальной лаборатории, объявивших в декабре 2022 года о достижении долгожданного этапа приручения этого типа энергии. Впервые термоядерная реакция произвела больше энергии, чем было затрачено на её поддержание. Инженеры использовали второй подход, а именно инерциальный управляемый термоядерный синтез.
На достижение этого потребовалось семь десятилетий. Первый пункт из списка вопросов к термоядерной энергии они осилили – получили больше энергии, чем потратили. Остаётся другой важный вопрос – можно ли использовать выработанную энергию? Пока что до этого ещё далеко.
Специалист по физике плазмы, в данный момент находящийся на пенсии, Дэниел Джессби, в 2019 году в своей статье «Вуду термояда» писал:
Исследовательские организации, занимающиеся вопросом поддержания долгосрочных термоядерных реакций, в массе своей поддерживаемые правительствами, представляют собой парад голых королей, которые только изредка подтверждают необоснованные заявления и предсказания. Одной из особенностей этих игроков является то, что они никогда не демонстрируют поступления электричества в энергосеть, зато всегда забирают огромные количества этой энергии из сети. Ненасытное потребление электричества – неизбежный признак всех наземных попыток запуска термояда.
Всё это подчёркивает основную проблему нашего энергетического сектора. В данный момент больше всего энергии производится по технологиям XVIII века – сжиганием ископаемого топлива, что является главной причиной увеличения количества CO2 в атмосфере, окисления океанов и быстрого изменения климата. Лучшую технологию из имеющихся у нас, способную заменить этот древний и богатый на неприятные последствия способ, оболгали и оклеветали из-за страха перед ядерными отходами, радиоактивными осадками, ядерными войнами и прочим. Несмотря на поддержку науки, ядерная энергия сегодня даёт лишь малую часть всей энергии, которой пользуется человечество.
Несмотря на высочайший спрос на базовые исследования в энергетическом секторе и совершенно недостаточное финансирование исследований термояда, ситуация не меняется. И если мы не начнём как следует вкладываться в реальную, настоящую технологию, находящуюся практически на расстоянии вытянутой руки, у нас так и будут появляться компании двух видов. Первые будут искренне верить в то, что они продают, без учёта законов физики. Вторые будут откровенно обманывать инвесторов ради получения прибылей.
Ядерный синтез – реакция, дарующая и поддерживающая жизнь. Она идёт в сердце любой звезды, а также в бесчисленных количествах коричневых карликов – небесных тел, не дошедших до состояния звёзд, но набравших материи достаточно для синтеза дейтерия. При синтезе лёгких элементов получается элемент с массой, меньшей, чем сумма соединившихся атомов, а разница выделяется согласно формуле Эйнштейна, E = mc2. Если оценивать доступность энергии, топлива и влияние на окружающую среду, термояд оставляет далеко позади все остальные варианты, имеющиеся на сегодня.
