Міністерство енергетики США оголосило про прорив у галузі термоядерного синтезу, який відбувся 5 грудня. Так в Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса спромоглися у ході експерименту на термоядерному реакторі витратити 2,05 мегаджоуля енергії, а отримати 3,15 мегаджоуля. Чому це важливо, та як це вплине на розвиток технології розповідає Микола Хандога, науковий співробітник Лабораторії ядерної фізики та фізики високих енергій Університету Сорбонни.
Розкажімо спочатку про термоядерного синтезу? Я розумію, яка реакція відбувається в ядерному розпаді у звичайних АЕС: з важкого ядра робиться два легких, а при термоядерному синтезі навпаки. Чому саме так?
Ви все правильно сказали. Ядерні сили в чомусь подібні до хімічних, але значно потужніші. Буває так, що ядру енергетично вигідно розпастися на менші, такі ядра називаються нестабільними. А буває так, що злиття двох ядер є більш вигідним, і тоді такий синтез призводить до вивільнення великої кількості енергії.
В чому проблема з синтезом? Для того, щоб реакція пішла, треба, щоб ці два ядра наблизились один до одного досить близько, щоб ядерні сили почали діяти. Але наблизитись ядрам заважають електростатичні сили, які хоч і слабші за ядерні, але мають більший радіус дії.
Ми знаємо, що ядра заряджені позитивно, а отже вони відштовхуються. Тобто, самі по собі, якщо їх при кімнатній температурі покласти одне біля одного, вони не прореагують.
Є певний перелік елементів, які можуть реагувати з вивільненням енергії?
Так. Конфігурація цих ядер має бути такою, щоб їм було вигідніше бути разом, аніж окремо. Тобто це умови для термоядерного синтезу.
Якщо розпадається важке ядро в цих радіоактивних речовинах, то зрозуміло, чому виділяється велика кількість тепла. А чому з’являється енергія коли ядра з’єднуються?
Є таке поняття «енергія зв’язку ядра». Тобто є енергія зв’язку ядер на початку і після реакції. Природа завжди намагається зменшити потенційну енергію, якщо є така можливість.
Це дуже загальний закон природи, завдяки якому річки стікають в океан, вода при нулі градусів перетворюється на лід, а стрілка компаса орієнтується на північ. Дуже схожа історія і з хімічними реакціями, тільки масштаб енергій в ядерних реакціях на кілька порядків вище, ніж у хімічних.
Якщо енергія зв’язку ядра, яке утворилося, менше енергії зв’язку ядер на початку, тоді такий стан є більш вигідним, реакція пройде, а надлишок енергії виділиться у вигляді випромінювання.
Пояснюючи на пальцях: якщо у кожного ядра було по 10 грн, вони об’єдналися, в утвореного ядра стало 15 грн. Решта 5 грн виділилися в енергію. При ядерному розпаді зазвичай все навпаки: в початкового ядра є 20 гривень, а в продуктів реакції — по 9.80. А ось на решту 2% і живуть наші АЕС.
Найвідоміша термоядерна реакція відбувається на Сонці. Розкажи про це детальніше
Є три показники, які потрібні, аби ця реакція йшла. По-перше, потрібна велика густина матерії, тобто їх треба спресувати. По-друге, температура. По-третє, час, який вони перебуватимуть одна біля одного. Тобто їх треба спресувати, підігріти і тримати, поки вони не прореагують.
На Сонці стиснення відбувається через величезну масу Сонця і відповідно силу тяжіння, яку ця маса утворює. Ця сила спресовує атоми до купи, наближаючи їх досить, щоб в дію вступили “короткозорі” ядерні сили та почалася реакція синтезу. Реакція синтезу, своєю чергою, виділяє енергію, підіймає температуру, і таким чином сприяє самопідтриманню.
Водень – найлегший елемент періодичної системи Менделєєва, він складається з одного протона та одного електрона. Майже три чверті (73%) речовини у Всесвіті – це саме водень. Ще чверть — це гелій, а решта елементів складає лише 2%.
Ось на Сонці завдяки тамтешнім умовам водень перетворюється на гелій. Власне, гелій так називається, бо його було відкрито завдяки спостереженням за Сонцем, а Геліос (Ήλιος) грецькою означає сонце. Колись весь водень на Сонці “вигорить”, перетворившись на гелій, і Сонце згасне. Але це станеться лише через кілька мільярдів років, тому поки що мусимо хвилюватися про більш нагальні проблеми.
Потрібно, щоб все було в якомусь обмеженому просторі?
Суть в тому, щоб спресувати дуже близько атоми, які один від одного відштовхуються, а для цього потрібна якась сила. Потім треба їх розігріти, щоб вони могли наближатися один до одного і тримати так певний час.
При чому це добуток густини, температури та часу. Тобто, можна, наприклад, розігріти та спресувати трохи менше, зате тримати дещо довше. А можна навпаки, добитися більшої густини та температури, тоді реакція відбудеться швидше.
Реакція прямого перетворення водню в гелій, яка йде на Сонці, не дуже цікава з енергетичної точки зору. Але є така штука як важкий водень, його ще звуть дейтерій, де в ядрі окрім протона додається ще один нейтрон. Ось злиття двох атомів дейтерію здатне утворити атом гелію з суттєвим виділенням енергії.
Дейтерій є стабільним елементом, тобто не розпадається сам по собі, і в чималій кількості присутній на Землі. Подібно до того, як звичайний водень утворює у сполуці з киснем воду, дейтерій утворює так звану важку воду. Важка вода у малій концентрації присутня у звичайній океанській воді. Але океан настільки великий, що навіть доля відсотка — це вже дуже багато і цього точно досить, щоб не перейматися за джерело термоядерного палива.
Ще існує надважкий водень, або тритій, який має в ядрі протон та два нейтрони. Тритій нестабільний і трохи проблемніший за дейтерій, але саме дейтерій-тритієва суміш зазвичай використовується як паливо в сучасних експериментальних термоядерних реакторах.
Отже, якщо певну кількість дейтерій-тритієвої суміші розігріти, стиснути й трохи потримати — відбудеться термоядерна реакція. Існує ряд способів це зробити та відповідно чимало різних конструкцій термоядерних реакторів.
Якщо дивитися на історію створення, то десь вже в 60-х роках МАГАТЕ зробило цю програму для того, щоб рухатися в цьому напрямку. Назвімо технічні проблеми для цього?
Треба відзначити: щоб люди повірили, що термоядерний синтез взагалі можливо відтворити на Землі, велику роль відіграло створення термоядерної бомби. Спочатку створили ядерну бомбу, яка базується на ядерному розпаді.
Потім пішли далі та придумали, що під час ядерного вибуху у нас створюються достатні умови, щоб запустити вже термоядерну реакцію. Придумали таку схему: спочатку іде ядерний вибух, який запалює термоядерне паливо, і тоді за ядерним вибухом відразу йде термоядерний, який може бути в тисячу разів сильнішим.
Які країни досягли в цьому успіху?
Перш за все звісно йдеться про дві країни, які найбільше вклалися у ядерні дослідження — США і Радянський союз. Також дуже значного прогресу досягла Франція, яка зараз посідає друге місце у світі з виробництва ядерної енергії.
Від створення ядерної бомби до першого ядерного реактора пройшло лише кілька років. Звісно ж, усі чекали, що схожа історія відбудеться і з термоядерним синтезом.
На додаток, синтез має низку суттєвих переваг перед ядерними реакторами, які базуються на ядерному поділі. По-перше, термоядерне паливо: дейтерій не є радіоактивним і його можна видобувати просто з води.
По-друге, продуктом реакції буде гелій — стабільний інертний газ, абсолютно безпечний і з фізичної та з хімічної точки зору. Про ядерні могильники можна забути назавжди. По-третє, енергетичний вихід одиничної реакції теж помітно більший за типову реакцію поділу в ядерних реакторах.
Є ще одна важлива відмінність. Детонація ядерної бомби — лавиноподібний процес.
Мається на увазі, щоб наступний етап ядерної реакції був більший, ніж попередній?
Ядро розпадається і продукти цього розпаду спричиняють розпад сусідів. Ті ініціюють розпад подальших сусідів і так далі. Якщо сусідів досить багато — то така реакція розвивається лавиноподібно і відбувається вибух, якщо ж сусідів мало — все швидко затухає.
Це і є принцип критичної маси. Маса ядерної бомби не може бути меншою за критичну масу. В залежності від речовини ця маса може складати від кількох кілограмів до кількох десятків кілограм.
Ядерні реактори теж залежать від критичної маси. Вони балансують на межі, де реакція себе підтримує, не затухаючи, але і не доводячи справу до лавиноподібного вибуху. Тому з одного боку це не дозволяє створювати довільно малі ядерні реактори, наприклад, розміром з пальчикову батарейку.
З іншого — залишається небезпека того, що реакція перейде в неконтрольовану фазу і відбудеться вибух. Варто зазначити, що сучасні ядерні реактори чудово захищені та набагато безпечніші за ті, що існували у 1980 роки.
Але в термоядерних реакторах ми можемо самі обирати кількість речовини, яка вступатиме до реакції. Отже, аварія на термоядерній станції неможлива навіть теоретично, тому що ми можемо вибрати дуже малу кількість речовини для реакції.
Тому люди одразу дуже захопилися ідеєю термоядерних електростанцій, зрозуміли, що це золоте дно. Відразу почали казати: затопимо весь світ енергією чистою, дешевою, необмеженою.
Що зробили американці яке це має значення?
В принципі там є кілька основних технологій, які використовуються для того, щоб відтворити цю реакцію. Основні до речі зазвичай пов’язані з магнітним полем. За допомогою магнітного поля ми нагріваємо паливо, переводимо його в стан плазми, і одночасно утримуємо його. І справді Радянський Союз був досить просунутий в цьому напрямку.
Наприклад, технологія, яка називалася «Токамак» (Тороїдальна камера з магнітними котушками) була розроблена саме в Союзі та довгий час вважалася найперспективнішою у світі. У Франції за цією технологією побудований експериментальний реактор «Ітер».
Тобто західні країни встигли першими, ніж росіяни?
«Ітер» побудовано на території Франції, але це міжнародний проєкт, де беруть участь понад 10 країн. Маю визнати, що й участь росіян там досить помітна. Я вчора спілкувався з колегою-фізиком, то він каже: «Ліверморці зробили цікаве, але Ітер має свої переваги».
Отже, давайте нарешті поговоримо про те, що зробили в лабораторії Лівермора. Для нагріву термоядерного палива вони використали потужні лазери. Час утримання плазми виходить дуже малий, але створюється велика температура та густина речовини. Достатня для того, щоб реакція пройшла.
Щобільше: енергія, яка утворюється внаслідок синтезу, на 50% перевищує енергію, яку було витрачено на лазерні імпульси. Але залишається проблема переведення цієї енергії у прийнятну для споживання форму. Треба придумати як “знімати” енергію, яка виділяється під час реакції, та перетворювати її, скажімо, в електричну. Наскільки я розумію, ці проблеми це належить розв’язати.
З цієї перспективи ситуація в тих реакторів, які використовують принцип утримання плазми магнітним полем, дещо краща. Токамаки та стелларатори побудовані наступним чином: є такий собі типу казан, в якому конфігурація магнітного поля створена так, щоб утримувати термоядерне паливо. Магнітне поле і стискає паливо, і розігріває його, і не дає йому торкатися стінок реактора, бо якщо з такою температурою речовина торкнеться стінок, то вона просто знищить пристрій.
Токамати та стелларатори добиваються дещо меншої температури та густини, але утримують плазму триваліший час. З перетворенням енергії реакції там дещо краща ситуація, але на жаль досі не подолано рубіж енергетичної ефективності: такі реактори досі споживають більше енергії, ніж реакція може видати.
Отже, в лабораторії Лівермора подолали дуже важливий для науки рубіж, але з інженерної точки зору ще далеко до того, що ми зможемо випустити енергію в мережу і лампочки від цього запалювати. Треба зібрати енергію таким чином, щоб вона працювала на корисливі цілі. Досі «знімати енергію» – це означає здебільшого кип’ятити воду і пускати її на турбіну. Це те, що зараз робиться на ядерних електростанціях.
Де можна буде використовувати цю енергію, окрім електростанцій? Можливо на літаку, кораблі?
З точки зору ядерної фізики немає проблеми зробити термоядерний реактор малим, хоч з годинник. Але ж питання: як зробити в вашому годиннику «маленьке сонце» яке б виробляло вам енергію? Та це вже інженерне питання.
Люди хочуть картинку майбутнього. Уявімо собі, що все у нас вийшло. Термоядерні реактори на кожному кроку. Як це змінить світ?
Це зробить непотрібними ті електростанції, які є у нас. Це здешевить усі перевезення. Забере монополію у тих країн, компаній, які зараз володіють енергоресурсами. Значення нафти зменшиться разів в п’ять. Ми позбавимося цієї шкідливої залежності від копалин. Війн за нафту стане менше.
Більш технологічні нації матимуть змогу будувати електростанції на термоядерному синтезі, а потім двигуни для машин чи кораблів. Такі нації ще більше вирвуться вперед. А нації, чий вплив сильно покладається на ресурси, наприклад, Росія, матимуть менше важелів впливу.
Де ще можна буде використовувати такий зменшений термоядерний реактор?
Будь-де: годинники, лаптопи. Чим хороший термоядерний синтез – там немає нижнього порогу для реакції, в джерело енергії може бути як завгодно маленьким. Його можна бути втиснути в бездротові навушники, якщо вдасться технологічно вирішити як саме це зробити. Але суто наукових обмежень для того не існує.
За 100 років взагалі можливо зробити такий реактор, що працює?
Я вірю, що і раніше. Ми вже перетнули важливий рубіж. А саме науковий рубіж – виробити більше енергії, ніж затратити. Далі є економічний рубіж – витратити менше грошей на вироблення енергії, ніж ця енергія коштуватиме за ринковою ціною. Тобто наступний рубіж буде ось такий економічний – здешевити процес термоядерного синтезу, зробити його вигідним з комерційної точки зору.