Протягом першого сезону екранізації Fallout головні герої полюють на артефакт, пов'язаний з винаходом холодного синтезу. Вустами одного з персонажів артикулюється, що ця технологія зможе забезпечити людство невичерпною електроенергією та покласти край усім конфліктам.
У нашій реальності над перенесенням холодного ядерного синтезу з теоретичної до практичної площини вчені працюють уже кілька десятиліть. Частина їх переконана, що це вдасться зробити вже в найближчому майбутньому, інша вважає його антинауковою вигадкою. Ліга.Тех розбиралася в історії роботи над винаходом, поточних досягненнях, можливих наслідках такого винаходу та участі українських вчених.
Від ядерного до термоядерного
З моменту відкриття електрики наука розмірковувала, як збільшити обсяги виробництва та зробити цей процес менш затратним. Було очевидно, що спалювання вуглеводнів – шлях у нікуди, адже рано чи пізно їх запаси вичерпаються. Основною альтернативою викопного палива вважалася атомна енергетика.
Більшість сучасних АЕС базуються на технології ядерного поділу, що передбачає розщеплення ядер атомів урану-235 або плутонію-239 на менші фрагменти. В результаті вивільняється величезна кількість тепла, яка потім перетворюється на електроенергію за допомогою парових турбін. АЕС завдяки своїй потужності, надійності та відносній дешевизні швидко стали основою генерації у багатьох розвинених країнах.
При цьому вони мають дві істотні недоліки. По-перше, потрібно десь утилізувати відпрацьоване високоактивне паливо та інші радіоактивні відходи. За підрахунками екологів, першого у світі накопичилося 200 000 тонн, а другого – понад 1 млн. тонн середньої активності та ще 10 млн. тонн низької. Щорічно ці цифри збільшуються приблизно на 5%.
По-друге, питання ядерної безпеки. Хоча справді масштабних аварій на АЕС було досить мало за більш як 50 років їх експлуатації, Фукусіма та Чорнобиль справили величезне враження на багатьох людей.
Так уряд Німеччини закрив усі АЕС на своїй території, причому його не зупинила навіть енергетична криза на континенті, спричинена повномасштабним вторгненням РФ.
Це надало запит на пошук іншого потужного джерела енергії.
Запалити сонце у лабораторії
Ще з 50-х років минулого сторіччя вчені почали схилятися до думки, що рішенням енергетичної дилеми стане термоядерний синтез. Той передбачає не розщеплення ядер, а злиття в одне ціле. Так два атоми водню трансформуються в атом гелію, у процесі чого вивільнятимуться колосальні обсяги електроенергії. Тут можна сказати, що фізики підглянули ідею колег-астрономів, адже схожі реакції можна спостерігати на Сонці та інших зірках.
Якщо це навчаться повторювати в контрольованих умовах на Землі, людство отримає потужне та невичерпне джерело електроенергії з низькою собівартістю. Як паливо потенційні термоядерні реактори використовуватимуть дейтерій (який виготовляється через багатоступінчастий електроліз води) і тритій (який виготовляється в ядерних реакторах опроміненням літію). Тобто теоретично термоядерні реактори можна будувати всюди, крім пустель. За підрахунками вчених, для потенційного термоядерного реактора з потужністю 1 ГВт буде потрібно 1 кілограм суміші тритію та дейтерію на добу. Для порівняння теплової електростанції з аналогічною потужністю потрібно близько 10 вагонів вугілля щодня.
Іншими очевидними перевагами термоядерного синтезу є відсутність високорадіоактивних відходів із тривалим терміном розпаду. При гіпотетичному руйнуванні оболонки реактора в атмосферу потрапить лише незначна кількість радіоактивного тритію, що має період напіврозпаду 12 років. Проте вчені переконані, що ймовірність аварій на термоядерних реакторах буде вкрай низькою, адже вони використовуватимуть плазму з великою щільністю, а отже, робоче середовище не міститиме достатньо енергії для вибуху чи інших загроз.
При цьому паливо завантажуватиметься в них безперервно, тому зупинити роботу установки досить просто, на відміну від тих самих АЕС.
Бомба-першопрохідник
Поки що реалізувати реакцію термоядерного синтезу практично вдалося лише для військових цілей: саме він покладено основою дії водневих бомб, вперше протестованих ще на початку 50-х минулого століття. Власне, саме термоотрута робить їх найбільш руйнівним типом зброї масового ураження.
Чому ж після кількох років термоядерний синтез досі не використовується у мирних цілях? Термоядерний синтез відбувається лише при колосальному тиску та температурі.
Бомба – одноразовий виріб, що дещо спростило завдання конструкторам. Вони вигадали, щоб пристрій спочатку здійснював звичайний ядерний вибух, який запускав неконтрольовану термоядерну реакцію. Тому лише одна воднева бомба теоретично може спопелити нашу планету за лічені секунди.
Однак у разі мирного застосування потрібно не одноразово досягти термоядерного синтезу, а створити реакцію, що самопідтримується. Енергію, що вивільнилася в її результаті, потрібно не тільки зібрати, а для початку просто втримати в якомусь обмеженому просторі.
Йдеться про таку температуру плазми, яка не просто все плавить, а просто випаровується. Плюс поки що немає жодних практичних технологічних рішень для перетворення вивільненої внаслідок термоядерного синтезу енергії на електричну. Словом, дуже складних технологічних викликів вистачає, і над ними вже кілька десятиліть ламають голову найкращі фізики планети.
Одним із перших варіантів вирішення цього завдання є ідея під назвою токамак (тороїдальна камера з магнітними котушками). Вона передбачала замикання плазми у спеціальній вакуумній “пастці” за допомогою магнітів. Пізніше американські вчені запропонували імпульсний варіант: реакцію термоядерного синтезу запускають усередині невеликої капсули, наповненої воднем. Потім її стискають завдяки обстрілу потужними лазерами з усіх боків. Є й інші варіанти, серед яких найбільш елегантним у плані задуму та суперечливим у плані реалізації і є холодний синтез.
Італійський варіант
Концепт холодного синтезу передбачає, що з'єднання ядер атомів здійснюватиметься при кімнатній або близькій до неї температурі. Якщо його вдасться таки втілити в життя, то це буде колосальним проривом, адже він матиме всі переваги звичайного термоядерного синтезу і при цьому не потребуватиме дорогих реакторів.
Вперше про цю технологію заговорили 1989 року, коли електрохіміки Мартін Флейшман та Стенлі Понс заявили, що змогли досягти його в лабораторному експерименті з використанням паладію та важкої води (оксиду дейтерію). Вони заявили, що виділене тепло не перевищувало кімнатну температуру.
Проте їхні заяви викликали у науковому співтоваристві скептицизм, адже подальші спроби інших дослідників повторити їхній експеримент були провальними чи давали відверто суперечливі результати.
Іноді окремі вчені чи лабораторії заявляють, що їм вдалося повністю чи частково досягти холодного синтезу. Проте мейнстрімна наука ставиться скептично до цих заяв через відсутність послідовної серії успішних експериментів та доказів, які можна було б перевірити. Нарешті, холодний синтез немає загальновизнаної теоретичної основи для свого обгрунтування.
Знову у центрі уваги наукової спільноти технологія холодного синтезу опинилася у 2011 році. За словами італійського винахідника Андреа Россі, він успішно випробував установку, яка перетворила мідь на нікель за участю водню. Винахід отримав назву “Каталізатора енергії Россі”, а невдовзі журналістам було представлено установку із заявленою потужністю в 1 МВт. Пристрій був навіть запатентований в Італії, але нюанс у тому, що він був оформлений після формальної демонстрації, а не технічної експертизи.
Виріб викликав значний скепсис у колег Росії. Він так і не поділився схемою роботи пристрою та не дозволив провести аналіз реагентів, пославшись на комерційну таємницю. Усі демонстрації він проводив лише у своїй лабораторії та на своїх умовах. Також скепсис підігрівала попередня репутація Росії: у 70-х він запатентував унікальну систему переробки сміття на нафту. Для контексту саме в цей час італійські міста зіштовхнулися зі сміттєвим колапсом через дії мафії. Зрештою, починання закінчилося крахом компанії, арештом Росії та витратами 40 млн євро на ліквідацію токсичних відходів, що залишилися після проекту. У результаті і проект “каталізатора” був підданий критиці вчених та затих.
Прорив не за горами?
2022 року американські вчені вперше провели реакцію термоядерного синтезу (використовувався імпульсний підхід), яка змогла згенерувати більше енергії, ніж поглинути. Але якщо враховувати всі витрати електроенергії (заряд лазерів тощо), то ні про який суттєвий вихід у плюс мова поки не йдеться. Тому вчені схильні вважати, що це був суттєвий інженерний крок уперед, але чекати на появу термоядерних реакторів поки що не доводиться. У кращому разі знадобиться ще десять років до їхнього практичного впровадження.
Щодо України, то свої дослідження на тему термоядерного синтезу проводив КНУ ім. Т.Г. Шевченка, частково київський Інститут фізики, харківський ННЦ ХФТІ та низка недержавних лабораторій. Дослідження проводились у рамках відповідних програм уряду та Національної академії наук. Основними темами досліджень стали нагрівання плазми, поведінка енергетичних частинок у магнітних “пастках”, поведінка конструкційних матеріалів першої “стінки” гіпотетичного термоядерного реактора тощо.
Читайте також
