Термоядерна сенсація в США: що це таке і коли стане реальністю ідеальне джерело енергії?

Поки українці, внаслідок терористичних атак, потерпають без електрики, американці здійснюють науковий прорив у сфері енергетики: у грудні в США оголосили про перший в історії успішний експеримент із керованим термоядерним синтезом. Це розглядають як крок до майбутнього, в якому електроенергії вистачатиме всім з надлишком. І що особливо важливо, без жодного барелю нафти чи кубометру газу.

Американцями було досягнуто наукової енергетичної беззбитковості – вдалося виробити більше енергії, ніж її  витратили для лазерного запуску термоядерного синтезу. Відкриття вже називають історичним. Директор наукового комплексу National Ignition Facility (науковий комплекс для здійснення термоядерного синтезу за допомогою лазерів) Кім Буділ назвав термоядерний синтез у лабораторії "одним із найважливіших наукових викликів, які колись вирішувало людство".

Нам –  великою мірою «енергопроблемним» – насамперед цікаво: що ж буде далі, як зміниться енергобаланс на планеті, глобальна економіка і наше буденне життя? Коли чекати всіх цих змін? Коли термоядерний синтез «покине» лабораторію і стане буденністю на електростанціях майбутнього?

Як термоядерний вибух, але контрольований і прибутковий

"… науковий прогрес ставить нас перед майбутнім, яке більше не залежатиме від викопного палива, а живитиметься новою чистою енергією термоядерного синтезу", — так прокоментував сенсаційну новину лідер більшості в Сенаті США Чарльз Шумер.

Цього чекали кілька десятиліть. Сонце, як і решта зірок, отримують  енергію саме за рахунок термоядерного синтезу. А як відтворити його на Землі, вчені ламають голови вже років 90. Експерименти для отримання термоядерної енергії нині проводять близько 50 країн, йдеться на сайті Міжнародної агенції з атомної енергії. Застосовувалися різні матеріали, технології – але чистого приросту енергії досі не досягали. Воно й не дивно: за розрахунками, для злиття дейтерію та тритію, що беруть участь у синтезі, в умовах Землі потрібна температура понад 100 млн градусів за Цельсієм, великий тиск і замкнений простір для утримання плазми й забезпечення протікання реакції протягом певного часу. Лише так можна добитися чистого приросту енергії – ефекту, коли термоядерної енергії виробленої буде більше, ніж використаної на нагрівання плазми. І  ось у Каліфорнії нарешті цього ефекту, кажуть, досягли. Ну, майже, як виявилось...

Установка так званого інерціального синтезу, за словами доктора фізико-математичних наук, провідного наукового співробітника Інституту фізики НАНУ Семена Єсилевського, існує вже кілька десятків років, технологія не нова, просто її «підкручували» і вдосконалювали доти, поки не добилися успіху. «Вона працює в імпульсному режимі: мішень стискається лазерами, вибухає, вкидається наступна і так далі. А в лазери треба «вкачувати» дуже багато енергії, вони надзвичайно потужні», - пояснює вчений. «Фактично це термоядерний вибух, але контрольований, – пояснює Артем Наумовець, заступник завкафедри фізики ядра та високих енергій ім. О.І. Ахієзера ХНУ ім. В.Н. Каразіна.. – Такого роду реакцію з позитивним виходом енергії намагалися отримати в лабораторії вже понад 60 років. І ось в США провели експеримент з керованого ядерного синтезу, який мав 50%-ий вихід додаткової енергії».

Звісно, це прорив, але «в кишеню», кажуть експерти, його поки не покладеш. Так, виділилося  при реакції більше, ніж в неї «вкачали». Але треба розуміти, що  енергія, яка виділяється - це не енергія в побутовому сенсі, яку можна перетворити в електрику, зауважує Єсилевський, зняти з інерціальних установок потужність технічно складно і, здається, таких прецедентів ще не  бувало. Принаймні, ті 50% в електрику ще не перетворили – йдеться про приріст лише теплової енергії, ще й в умовах наукового експерименту, а не електростанції. «Працювати з надзвичайно коротким імпульсом так само важко, як із блискавкою. – порівнює Наумовець. – Щоб наблизитись до практичного використання розглядуваної реакції і будувати електростанцію, треба мати декілька імпульсів в секунду. А дослідники ліверморської лабораторії можуть провести два за день».

Імпульс 192 лазерів було спрямовано на таку собі пігулочку з дейтерію та тритію, речовина розігрілася від лазерного потоку до мільйонів градусів і в маленькому об’ємі почалася реакція синтезу ядер, описує схему досліду Артем Сергійович. Одноразово, протягом мільярдної долі секунди, вивільнилося багато енергії у вигляді потоку нейтронів. Їхня сумарна енергія перевищила лазерну в півтора рази. Але її не «зібрали», а лише порахували за нейтронним потоком і в короткий проміжок часу. А утримання плазми великої температури – це окреме надзавдання, над яким давно мізкують фахівці ІТЕР (Міжнародний експериментальний термоядерний реактор). «Це інший, альтернативний шлях реалізації реакції термоядерного синтезу. Він більш перспективний, - вважає Наумовець. - Очікувані параметри густини, температури і часу утримання плазми в ІТЕРі вказують на можливість комерційного застосування реакцій ядерного синтезу для генерування електроенергії». Отже, справа геть не безнадійна.

Чому вченим вигідно «поспішати з перемогами»

Отже, прорив стався  – але як ним практично скористатися, гадки вчені ще не мають. Іншу гілку досліджень (ІТЕР), за словами Артема Наумовця, теж не перекреслюємо. Бо технологію генерації електрики шляхом «американського дива» ще належить вигадати і до промислового використання винаходу не менш як 10 років.  

«Перевищення отриманої енергії над затраченою в обсязі, який отриманий зараз, буде недостатньо на практиці - говорить Семен Єсилевський. – Щоб покрити усі витрати і отримати сумарно «плюсовий» вихід електроенергії, перевищення мало б бути десятикратним». Тобто досягнутого ефекту для констатації реального успіху недостатньо, вважає вчений.  А увесь піднятий навколо досягнення галас – не більш ніж медійний хайп заради того, щоб підтримати фінансування досліджень. Тож, нажаль, до використання ідеальної енергії – дешевої і чистої, легкодоступної – людство поки що відчутно не наблизилося. Просто коли ви 60 років працюєте в тематиці, яка не дає абсолютно ніяких практичних результатів і чекати їх (у вигляді працюючої електростанції), за оцінкою спеціалістів, слід мінімум не раніше кінця 21 століття і їх побачать хіба ваші онуки, то дуже важко отримувати фінансування, пояснює пан Єсилевський. «Тому, щоб гроші давали, дослідники вкидають такі повідомлення час від часу»...

Так, про деякі винаходи поспішають оголосити, щоб зібрати кошти на подальші дослідження, погоджується професор кафедри економічної кібернетики КНУ ім. Т.Г. Шевченка Андрій Ставицький. «Згадаймо хоча б, як було з «Гіперлупом» Маска: його створили (розробка з’явилася у 2003-му, анонс потяга - у 2012-му Ред), намагаються тестувати, але досі нема практичного впровадження», - зауважує він. Тому 10-15 років для винайдення способу промислового використання досягнень нинішнього успішного експерименту – це надто оптимістичні очікування, гадає Ставицький.

То може варто було кинути б світові зусилля на європейський проєкт ІТЕР, що вже має певний грунт? І тоді гарантовано мати термоядерне джерело енергії достатньо скоро. Міжнародна команда працює над цією розробкою ще з 80-х, говорить пан Єсилевський, і за 40 років проєкт ще не запустився (за планом це має статися в 2025-му). «Тому люди працюють над іншими варіантами– план Б завжди потрібен, - пояснює вчений. – Уявімо, що ІТЕР запустили, 10 років експериментували і дійшли висновку, що він не працює. І що, понад 40 років роботи, мільярди доларів – усе коту під хвіст?»

Наш експерт особисто чекає плодів – якогось прототипу хоча б з нульовим енергобалансом – десь під 2060-й рік, а першу термоядерну електростанцію – може, під кінець 21 століття.

Кінець нафтогазовому пануванню

Нехай не завтра, але спосіб добувати доступну чисту електроенергію вчені все ж таки знайдуть – неприйнятність системи, побудованої на газі-мазуті,  очевидна. Андрій Ставицький вважає, що якщо буде знайдене джерело ідеальної енергії, це повністю змінить енергетичний баланс у світі. Людство повністю відмовиться від викопних видів палива. І тоді «розвиватиметься нова цифрова економіка, коли за електроенергію не треба буде багато платити, вона стане доступною». Зараз, може, здається, що цифровізація вже досягла великих масштабів, але це не так. Всі виробництва, логістика, сфера надання послуг дуже залежать від доступності ресурсів, і наразі ми переживаємо лише перший етап цифровізації. «Ціна ресурсів формується не так прозоро, як ми б хотіли, - пояснює пан Ставицький. – Але доступ до енергії, яку зможе добувати кожен, незалежно від ресурсів, створить справжній ринковий механізм її розподілу». А отже - іншу світову реальність.

Всі країни, економіка яких базувалася на добуванні-продажу енергоресурсів, перестануть грати серйозну роль, прогнозує професор. В першу чергу це стосуватиметься нашого північного сусіда і деяких азійських країн, де покладалися на продаж видобутих копалин і дешеві робочі руки. Автоматизація і дешева електроенергія змусить їх до кардинальних змін.

Ще питання – як виглядатиме кінцева технологія добування «ідеальної» енергії? Одна справа, якщо людство просто замінить атомні і теплові станції на інший тип таких же масштабних споруд, і інша, якщо електростанції стануть мініатюрними і стоятимуть у кожному районі міста чи навіть будинку, зауважує Андрій Ставицький. Тоді, вивести з ладу нормальне життя цілих регіонів, закидаючи ракетами станції та підстанції, вже б не вдалося.

Україна стане у пригоді – і мізками, і літієм

Від футуризму – до сьогодення. З того, що маємо зараз – це не «електростанція у валізці», а споруда розмірів енергоблоку АЕС, розповідає Артем Наумовець на прикладі технології ІТЕР. «Це буде будівля 40 м висотою і десь така ж шириною, бо самі магніти для утримання плазми дуже великі, перетворювачі електричного струму теж», - описує він. Тобто про мініатюрні станції поки не йдеться. Викиди вуглецю від роботи таких реакторів будуть нульовими, але грітимуть атмосферу, говорить викладач харківського фізтеху. «ККД будь-якої теплостанції не перевищує 55%. Це означає, що з отриманої теплової енергії на електрику ми можемо перетворити половину, а решта нагріває повітря під час охолодження води, яка повертається в цикл, - пояснює він. – І нова станція, як буде збудована, так само нагріватиме середовище».

Паливо для термоядерного синтезу теж десь треба роздобувати. Якщо урану в природі багато, а дейтерій треба якось випарювати у величезних кількостях з океанічної води, то тритію взагалі у природі не існує, його треба «робити» з літію, родовища якого – не те щоб рідкість, але їх не багато. І, на диво, вони є в Україні - на Донбасі (Єсаулівське в Нагольному рудному районі) та на Українському щиті (Кропивниччина). «Після розробки нової термоядерної станції ці родовища можуть стати досить популярними і складати частину стратегії участі України у програмах термоядерного синтезу, - розповідає пан Наумовець. – Україна офіційно досі не бере участі у проєкті ІТЕР,  але там вже використовуються технології нагріву плазми, запропоновані в Харкові».

Мова про «Ураган-3М», замкнуту пастку для магнітного утримання плазми в Інституті фізики плазми Національного наукового центру «Харківський фізико-технічний інститут», створену ще за СРСР. Але й зараз харківські науковці мають цінні теоретичні розробки, стверджує Наумовець. «Університет Каразіна бере участь в Eurofusion (консорціум національних дослідницьких інститутів термоядерного синтезу, розташованих у Європейському Союзі, Великобританії, Швейцарії та Україні Ред), - розповідає він. – Наші студенти частиною освітньої програми мають практику у дослідних лабораторіях Європи, працюватимуть над досягненням технологій термоядерного синтезу». Одній державі це не під силу, необхідна колаборація наукових і технологічних потенціалів багатьох країн, переконаний вчений.  «у 2025-му планується завершення будування ІТЕР, і європейські дослідники продовжать розв’язувати надзвичайно велику задачу з підкорення термояду», - каже він.

Хтозна – може, ще й матимемо новітню електростанцію одними з перших на планеті.

Тетяна Негода, Київ

Фото з відкритих джерел