Що фактично означає досягнення у термоядерному синтезі: коментарі вчених

13 грудня 2022 року американські вчені оголосили про прорив у термоядерному синтезі: вперше у ході такої реакції вдалося отримати більше енергії, аніж витратити. Керований термоядерний синтез — надія людства на майже нескінченне джерело «чистої» енергії, що не забруднюватиме довкілля.

AIN.UA звернувся до українських вчених-фізиків за коментарем про те, наскільки важливе це оголошення і що воно означатиме для енергетичного майбутнього людей. Спойлер: це добре, але на жаль, до робочих термоядерних електростанцій ще дуже далеко. І строго кажучи, проведений лабораторією LLNL процес ще не можна назвати успішним термоядерним синтезом.

Наводимо пояснення вчених нижче.

Юрій Яковенко, провідний науковий співробітник у відділі теорії ядерного синтезу Інституту ядерних досліджень НАН України:

Керований термоядерний синтез (КТС) — це процес отримання енергії через злиття ядер легких елементів. Паливом, яке найлегше для цього використовувати, є дейтерій та тритій — важкі ізотопи водню. Якщо людство зможе навчитися успішно ініціювати та підтримувати КТС, він стане практично невичерпним джерелом енергії, що не створює викидів вуглекислого газу.

Проблема полягає в тому, що паливо треба розігріти до надвисоких температур (до стану плазми) і утримувати його достатній час, щоб воно встигло «прогоріти». Один з підходів до її розв’язання полягає в утриманні плазми магнітним полем (магнітне утримання). Другий — у стисненні та розігріві палива потужними лазерними променями (інерційне утримання).

У Ліверморській лабораторії пройдено важливу межу — кількість виділеної термоядерної енергії перевищила енергію лазерних променів, що нагрівали паливо, у понад 1,5 рази. Це ще не є успішним здійсненням термоядерного синтезу.

Оскільки, як перетворення виділеної енергії в електричну, так і перетворення останньої в лазерні промені не може бути повним, треба, щоб виділена енергія перевищувала витрачену в десятки разів.

Планується, що потужність реакції перевищить потужність, витрачену на нагрівання палива, у понад 10 разів у експериментальному реакторі ITER, який споруджується у Франції. На відміну від ліверморського пристрою NIF, який застосовує інерційне утримання, ITER утримуватиме плазму магнітним полем. Якщо цей експеримент буде успішним, наступним кроком буде реактор, який вироблятиме електроенергію.

Семен Єсилевський, провідний науковий співробітник Інституту фізики НАН України, доктор фізико-математичних наук:

Це — значиме досягнення, але його важливість в офіційній комунікації сильно перебільшили. Адже потрібно брати до уваги весь контекст: перші експерименти із термоядерним синтезом проводилися ще в 50-ті роки XX століття. З того часу побутує трошки сумний жарт про те, що до комерційного втілення лишилося 20 років, і так вже протягом 70 років.

Це такий собі науковий «довгобуд». За всіма експертними оцінками, перша комерційна термоядерна електростанція (або навіть її прототип), якщо і з’явиться, то в роботі її побачать хіба наші діти та онуки. Тобто, це питання 50 років або й довшого періоду, і це ще оптимістичний прогноз.

Тепер щодо того, що було зроблено зараз. Потрібно розуміти, що люди, які цим займаються, працюють без практичного «вихлопу» більше 60 років, і на це треба весь час залучати кошти. Хто даватиме гроші на технологію, яка ймовірно запрацює через 50 років? Тож лабораторія трохи перебільшила свої досягнення у пресрелізі (це не перша і не друга подібна «сенсація» за історію розробки КТС).

Тож це досягнення має скоріше психологічний вплив.

Як це загалом працює? Це установка імпульсного синтезу, в якій за допомогою дуже потужних лазерів стискають маленький, міліметрового розміру контейнер з паливом . Відбувається мікротермоядерний вибух, і при цьому виділяється енергія. Але на практиці її якось потрібно конвертувати в електричний струм. А як це ефективно робити для імпульсного синтезу — наскільки я знаю, поки ніхто не придумав. Тож команда дослідників просто вимірює, скільки енергії виділилося. Досягнення в тому, що вперше за весь час виділилося більше енергії, ніж туди вкачали. Але це не корисна енергія, не ККД установки. Поки що це — «сферичний кінь у вакуумі».

Перетворити енергію такого мікротермоядерного вибуху на корисну — дуже нетривіальна задача. Це ж не звичайний ядерний реактор, який, умовно кажучи, працює «кип’ятильником».

Якщо ж говорити в цілому про прогнози для керованого термоядерного синтезу, є міжнародна установка ITER, яка науковою спільнотою вважається більш перспективною, адже там принаймні зрозуміло, як знімати потужність з реактора. Але поки він не запрацював, і навіть коли запрацює, він не стане електростанцією, працюватиме у збиток.

Після його експлуатації років через 20 можливо почнуть будувати реактор, який працюватиме в плюс. Оптимістичний прогноз для такого прототипу — це 2060-ті роки, а до комерційного використання цієї технології ще далі.