Философский камень физиков. Спасет ли человечество технология холодного ядерного синтеза

В течение первого сезона экранизации Fallout главные герои охотятся за артефактом, связанным с изобретением холодного синтеза. Устами одного из персонажей артикулируется, что эта технология сможет обеспечить человечество неисчерпаемой электроэнергией и положить конец всем конфликтам.

В нашей реальности над переносом холодного ядерного синтеза из теоретической в практическую плоскость ученые работают уже несколько десятилетий. Часть их убеждена, что это удастся сделать уже в обозримом будущем, другая считает его антинаучной выдумкой. Liga.Tech разбиралась в истории работы над изобретением, текущих достижениях, возможных последствиях такого изобретения и участия украинских ученых.

От ядерного до термоядерного

С момента открытия электричества наука размышляла, как увеличить объемы производства и сделать этот процесс менее затратным. Было очевидно, что сжигание углеводородов – путь в никуда, ведь рано или поздно их запасы иссякнут. Основной альтернативой ископаемому топливу считалась атомная энергетика.

Большинство современных АЭС базируются на технологии ядерного деления, предусматривающей расщепление ядер атомов урана-235 или плутония-239 на меньшие фрагменты. В результате высвобождается огромное количество тепла, которое затем превращается в электроэнергию с помощью паровых турбин. АЭС благодаря своей мощности, надежности и относительной дешевизне быстро стали основой генерации во многих развитых странах.

При этом они имеют два существенных недостатка. Во-первых, нужно где-то утилизировать отработанное высокоактивное топливо и другие радиоактивные отходы. По подсчетам экологов, первого в мире накопилось 200 000 тонн, а второго – более 1 млн тонн средней активности и еще 10 млн тонн низкой. Ежегодно эти цифры увеличиваются примерно на 5%.

Во-вторых, вопрос ядерной безопасности. Хотя действительно масштабных аварий на АЭС было достаточно мало за более чем 50 лет их эксплуатации, Фукусима и Чернобыль произвели огромное впечатление на многих людей.

Это дало запрос на поиск другого мощного источника энергии.

Зажечь солнце в лаборатории

Еще с 50-х годов прошлого столетия ученые начали склоняться к мнению, что решением энергетической дилеммы станет термоядерный синтез. Тот предполагает не расщепление ядер, а слияние их в одно целое. Так два атома водорода трансформируются в атом гелия, в процессе чего будут высвобождаться колоссальные объемы электроэнергии. Здесь можно сказать, что физики подсмотрели идею у коллег-астрономов, ведь похожие реакции можно наблюдать на Солнце и других звездах.

Если это научатся повторять в контролируемых условиях на Земле, человечество получит мощный и неисчерпаемый источник электроэнергии с низкой себестоимостью. В качестве топлива потенциальные термоядерные реакторы будут использовать дейтерий (изготавливаемый через многоступенчатый электролиз воды) и тритий (изготавливаемый в ядерных реакторах облучением лития). То есть, в теории термоядерные реакторы можно строить повсюду, кроме пустынь. По подсчетам ученых, для потенциального термоядерного реактора с мощностью 1 ГВт потребуется 1 килограмм смеси трития и дейтерия в сутки. Для сравнения, тепловой электростанции с аналогичной мощностью требуется около 10 вагонов угля ежедневно.

Другими очевидными преимуществами термоядерного синтеза является отсутствие высокорадиоактивных отходов с длительным сроком распада. При гипотетическом разрушении оболочки реактора в атмосферу попадет лишь незначительное количество радиоактивного трития, имеющего период полураспада в 12 лет. Однако ученые убеждены, что вероятность аварий на термоядерных реакторах будет крайне низкой, ведь они будут использовать плазму с большой плотностью, а значит, рабочая среда не будет содержать достаточно энергии для взрыва или других угроз. 

Бомба-первопроходец

Пока реализовать реакцию термоядерного синтеза на практике удалось только для военных целей: именно он положен в основу действия водородных бомб, впервые протестированных еще в начале 50-х прошлого века. Собственно, именно термояд делает их наиболее разрушительным типом оружия массового поражения.

Бомба – изделие одноразовое, что несколько упростило задачу конструкторам. Они придумали, чтобы устройство сначала осуществляло обычный ядерный взрыв, который запускал неконтролируемую термоядерную реакцию. Поэтому всего одна водородная бомба в теории может испепелить нашу планету за считанные секунды.

Однако в случае мирного применения нужно не одноразово достичь термоядерного синтеза, а создать самоподдерживающуюся реакцию. Высвободившуюся в ее результате энергию нужно не только собрать, а для начала просто удержать в каком-то ограниченном пространстве.

Речь идет о такой температуре плазмы, которая не просто все плавит, а просто улетучивает. Плюс пока нет никаких практических технологических решений для превращения высвобожденной вследствие термоядерного синтеза энергии в электрическую. Словом, очень сложных технологических вызовов хватает, и над ними уже несколько десятилетий ломают голову лучшие физики планеты.

Одним из первых вариантов решения этой задачи является идея под названием токамак (тороидальная камера с магнитными катушками). Она предполагала замыкание плазмы в специальной вакуумной "ловушке" с помощью магнитов. Позже американские ученые предложили импульсный вариант: реакцию термоядерного синтеза запускают внутри небольшой капсулы, наполненной водородом. Затем ее сжимают благодаря обстрелу мощными лазерами со всех сторон. Есть и другие варианты, среди которых наиболее элегантным в плане задумки и противоречивым в плане реализации и является холодный синтез.

Итальянский вариант

Концепт холодного синтеза предполагает, что соединение ядер атомов будет осуществляться при комнатной или близкой к ней температуре. Если его удастся таки воплотить в жизнь, то это будет колоссальным прорывом, ведь он будет иметь все преимущества обычного термоядерного синтеза и при этом не нуждаться в дорогостоящих реакторах.

Впервые об этой технологии заговорили в 1989 году, когда электрохимики Мартин Флейшман и Стэнли Понс заявили, что смогли достичь его в лабораторном эксперименте с использованием палладия и тяжелой воды (оксида дейтерия). Они заявили, что выделенное в результате тепло не превышало комнатную температуру. 

Иногда отдельные ученые или лаборатории заявляют, что им удалось полностью или частично достичь холодного синтеза. Тем не менее мейнстримная наука относится скептически к этим заявлениям из-за отсутствия последовательной серии успешных экспериментов и доказательств, которые можно было бы проверить. Наконец, холодный синтез не имеет общепризнанной теоретической базы для своего обоснования.

Вновь в центре внимания научного сообщества технология холодного синтеза оказалась в 2011 году. По словам итальянского изобретателя Андреа Росси, он успешно опробовал установку, которая превратила медь в никель с участием водорода. Изобретение получило название "Катализатора энергии Росси", а вскоре журналистам была представлена установка с заявленной мощностью в 1 МВт. Устройство было даже запатентовано в Италии, но нюанс в том, что оно было оформлено после формальной демонстрации, а не технической экспертизы.

Изделие вызвало значительный скепсис у коллег Росси. Он так и не поделился схемой работы устройства и не позволил провести анализ реагентов, сославшись на коммерческую тайну. Все демонстрации он проводил только в своей лаборатории и на своих условиях. Также скепсис подогревала предыдущая репутация Росси: в 70-х он запатентовал уникальную систему переработки мусора в нефть. Для контекста, именно в это время итальянские города столкнулись с мусорным коллапсом из-за действий мафии. В конце концов, начинание закончилось крахом компании, арестом Росси и расходами 40 млн евро на ликвидацию токсичных отходов, оставшихся после проекта. В итоге и проект "катализатора" был подвергнут критике ученых и заглох.

Прорыв не за горами?

В 2022 году американские ученые впервые провели реакцию термоядерного синтеза (использовался импульсный подход), которая смогла сгенерировать больше энергии, чем поглотить. Но если учитывать все затраты электроэнергии (заряд лазеров и т.п.), то ни о каком существенном выходе в плюс речь пока не идет. Поэтому ученые склонны считать, что это был существенный инженерный шаг вперед, но ожидать появления термоядерных реакторов пока не приходится. В лучшем случае понадобится еще десять лет до их практического внедрения.

Что касается Украины, то свои исследования по теме термоядерного синтеза проводил КНУ им Т.Г. Шевченко, частично киевский Институт физики, харьковский ННЦ ХФТИ и ряд негосударственных лабораторий. Исследования проводились в рамках соответствующих программ правительства и Национальной академии наук. Основными темами исследований стали нагрев плазмы, поведение энергетических частиц в магнитных "ловушках", поведение конструкционных материалов первой "стенки" гипотетического термоядерного реактора и т.д.