Філософський камінь фізиків. Чи врятує людство технологія холодного ядерного синтезу

Протягом першого сезону екранізації Fallout головні герої полюють за артефактом, який пов’язаний з винаходом холодного синтезу. Вустами одного з персонажів артикулюється, що ця технологія зможе забезпечити людство невичерпним джерелом електроенергії та покласти край усім конфліктам.

У нашій реальності над перенесенням холодного ядерного синтезу з теоретичної в практичну площину науковці працюють уже декілька десятиліть. Частина вчених переконана, що це вдасться зробити вже в осяжному майбутньому, інша вважає його антинауковою вигадкою. Liga.Tech розбиралась в історії роботи над цим винаходом, поточних досягненнях, можливих наслідках його винайдення й участі українських науковців. 

Від ядерного до термоядерного 

Від часу самого відкриття електрики наука роздумувала, як збільшити об’єми виробництва та зробити цей процес якомога менш затратним. Було очевидно, що спалювання вуглеводнів – шлях в нікуди, адже рано чи пізно їх запаси вичерпаються. Основною альтернативою викопного палива вважалась атомна енергетика. 

Більшість сучасних АЕС базуються на технології ядерного поділу, що передбачає розщеплення ядер атомів урану-235 чи плутонію-239 на менші фрагменти. В результаті вивільняється величезна кількість тепла, яка потім перетворюється на електроенергію з допомогою парових турбін. АЕС завдяки своїй потужності, надійності та відносній дешевизні швидко стали основою генерації в багатьох розвинених країнах. 

Разом з тим вони мають два суттєвих недоліки. По-перше, потрібно десь утилізовувати відпрацьоване високоактивне паливо й інші радіоактивні відходи. За підрахунками екологів, першого у світі накопичилось 200 000 тонн, а другого – понад 1 млн тонн середньої активності та ще 10 млн тонн низької. Щороку ці цифри збільшуються на приблизно 5%.

По-друге, питання ядерної безпеки. Хоча дійсно масштабних аварій на АЕС було досить мало за понад 50 років їх експлуатації, Фукусіма і Чорнобиль справили величезне враження на багатьох людей.

Усе це дало запит на пошук іншого потужного джерела енергії. 

Запалити сонце в лабораторії 

Ще з 50-х років минулого століття вчені почали схилятися до думки, що розв'язанням енергетичної дилеми стане термоядерний синтез. Той передбачає не розщеплення ядер, а їх злиття в одне ціле. Так два атоми водню трансформуються в атом гелію, в процесі чого будуть вивільнятися колосальні об’єми електроенергії. Тут можна сказати, що фізики піддивились ідею у колег-астрономів, адже схожі реакції можна спостерігати на Сонці й інших зірках. 

Якщо це навчаться повторювати в контрольованих умовах на Землі, людство отримає потужне й невичерпне джерело електроенергії з низькою собівартістю. Як паливо потенційні термоядерні реактори будуть використовувати дейтерій (виготовляється через багатоступеневий електроліз води) і тритій (виготовляється в ядерних реакторах опроміненням літію). Тобто, в теорії термоядерні реактори можна будувати всюди, крім пустель. За підрахунками вчених, для потенційного термоядерного реактора з потужністю 1 ГВт буде потрібно 1 кілограм суміші тритію і дейтерію на добу. Для порівняння, тепловій електростанції з аналогічною потужністю потрібно приблизно 10 вагонів вугілля щодня. 

Іншими очевидними перевагами термоядерного синтезу є відсутність високо радіоактивних відходів із тривалим терміном розпаду. У разі гіпотетичного руйнування оболонки реактора в атмосферу потрапить лише незначна кількість радіоактивного тритію, що має період напіврозпаду в 12 років. Однак науковці переконані, що вірогідність аварій на термоядерних реакторах буде вкрай низькою, адже вони будуть використовувати плазму з великою щільністю, а отже робоче середовище не буде містити достатньо енергії для вибуху чи інших загроз.

Бомба-першопроходець 

Поки що реалізувати реакцію термоядерного синтезу на практиці вдалося тільки для воєнних цілей: саме він покладений в основу дії водневих бомб, які були вперше протестовані ще на початку 50-х минулого століття. Власне, саме "термояд" робить їх найбільш руйнівним типом зброї масового ураження. 

Бомба – виріб одноразовий, що дещо спростило завдання конструкторам. Вони придумали, щоб пристрій спочатку здійснював звичайний ядерний вибух, що запускав неконтрольовану термоядерну реакцію. Через це всього одна воднева бомба в теорії може спопелити нашу планету за лічені секунди. 

Проте у випадку мирного застосування потрібно не разово досягти термоядерного синтезу, а створити самопідтримувану реакцію. Вивільнену в її результаті енергію потрібно не лише зібрати, а для початку просто утримати в якомусь обмеженому просторі.

Йдеться про таку температуру плазми, яка не просто все плавить, а просто випаровує. Плюс, поки що немає жодних практичних технологічних рішень для перетворення вивільненої внаслідок термоядерного синтезу енергії в електричну. Словом, украй складних технологічних викликів вистачає, і над ними вже декілька десятиліть сушать голови найкращі фізики планети. 

Одним із перших варіантів розв'язання цієї задачі є ідея під назвою токамак (тороїдальна камера з магнітними котушками). Вона передбачала замикання плазми у спеціальній вакуумній "пастці" з 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 й суперечливим у плані реалізації і є холодний синтез. 

Італійський варіант 

Концепт холодного синтезу передбачає, що з’єднання ядер атомів буде здійснюватися за кімнатної чи близької до неї температури. Якщо його таки вдасться втілити в життя, то це буде колосальним проривом, адже він матиме всі переваги звичайного термоядерного синтезу і водночас не потребуватиме дорогих реакторів. 

Уперше про цю технологію заговорили в 1989 році, коли електрохіміки Мартін Флейшман і Стенлі Понс заявили, що змогли досягти його в лабораторному експерименті з використанням паладію й "важкої води" (оксиду дейтерію). Вони заявили, що виділене в результаті тепло не перевищувало кімнатної температури.

Час від часу окремі вчені або лабораторії заявляють, що їм вдалось повністю чи частково досягти холодного синтезу. Однак, мейнстримна наука ставиться скептично до цих заяв через відсутність послідовної серії успішних експериментів і доказів, які б можна було перевірити. Нарешті холодний синтез не має загальновизнаної теоретичної бази для свого обґрунтування. 

Знову в центрі уваги наукової спільноти технологія холодного синтезу опинилась у 2011 році. За словами італійського винахідника Андреа Россі, він успішно випробував установку, яка перетворила мідь у нікель за участю водню. Винахід отримав назву "Каталізатора енергії Россі", а невдовзі журналістам була представлена установка 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 Россі. Він так і не поділився схемою роботи пристрою і 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 Россі: в 70-х він запатентував унікальну систему перероблення сміття у нафту. Для контексту, саме в цей час італійські міста стикнулися зі сміттєвим колапсом через дії мафії. Зрештою починання закінчилося крахом компанії, арештом Россі й витратами 40 млн євро на ліквідацію токсичних відходів, які залишились після проєкту. Зрештою і проєкт "каталізатора" був підданий критиці науковців і завмер. 

Прорив не за горами? 

У 2022 році американські вчені вперше провели реакцію термоядерного синтезу (використовувався імпульсний підхід), яка змогла згенерувати більше енергії, ніж поглинути. Але якщо враховувати всі затрати електроенергії (заряд лазерів тощо), то ні про який суттєвий вихід "в плюс" поки не йдеться. Тому науковці схильні вважати, що це був суттєвий інженерний крок уперед, але очікувати на появу термоядерних реакторів поки що не доводиться. У кращому випадку знадобиться ще десять років до практичного впровадження. 

Що стосується України, то свої дослідження на тему термоядерного синтезу проводив КНУ ім. Т.Г. Шевченка, частково київський Інститут фізики, харківський ННЦ ХФТІ й декілька недержавних лабораторій. Дослідження проходили в рамках відповідних програм уряду й Національної академії наук. Основними темами досліджень стали нагрівання плазми, поведінка енергетичних частинок у магнітних "пастках", поведінка конструкційних матеріалів першої "стінки" гіпотетичного термоядерного реактора тощо.