В теории, энергия термоядерного синтеза – это идеальная форма энергии. Используя тот же процесс, что и Солнце, мы можем синтезировать атомы водорода в гелий и высвобождать по-настоящему колоссальное количество энергии по требованию, без выбросов углерода и ядерных отходов. Однако десятилетиями эта технология оставалась недосягаемой, так как наши реакторы использовали больше энергии на синтез водорода, чем получали от реакций. Тем не менее, недавние достижения приближают нас к этому пределу, и в ближайшие десятилетия мы, возможно, сможем получить жизнеспособную энергию термоядерного синтеза. Или, по крайней мере, так должно быть. Видите ли, у термоядерного синтеза есть скрытая проблема, которая может сделать его абсолютно бесполезным, даже если мы решим проблему технологий реакторов. Позвольте мне объяснить.
Как всегда, говоря о термоядерном синтезе, давайте быстро вспомним, что это такое. Как я уже сказал, термоядерный синтез – это процесс, который питает звезды. Температуры и давления в их ядре настолько высоки, что атомы водорода имеют достаточно кинетической энергии, чтобы преодолеть отталкивающую силу, которая удерживает атомы отдельно. Так, когда два атома водорода сталкиваются в этой сверхгорячей, сверхплотной плазме, они сливаются, образуя гелий. Но этот гелий немного легче, чем два атома водорода, из которых он получился. Эта избыточная масса превращается в энергию и высвобождается. Знаменитое уравнение Эйнштейна E=MC² утверждает, что небольшое количество массы равно огромному количеству энергии. Это означает, что если синтезировать небольшое количество водорода, высвобождается поистине огромное количество энергии! Чтобы дать вам представление о масштабе, если синтезировать 17 тонн водорода, это произведет достаточно энергии, чтобы питать всю США в течение года!
Наши термоядерные реакторы воспроизводят этот процесс, нагревая и сжимая водородную плазму с помощью магнитов, лазеров или чистой кинетической энергии.
Однако разные изотопы (формы одного и того же элемента с разным количеством нейтронов) водорода сливаются легче, чем другие. Наилучшее сочетание, которое сливается при наименьшем количестве кинетической энергии и при этом высвобождает достаточное количество энергии, – это дейтерий и тритий. Таким образом, почти все наши термоядерные реакторы используют реакцию дейтерий-тритий.
Дейтерий – это распространенный стабильный изотоп водорода с одним нейтроном в ядре, который можно легко извлечь из морской воды. С другой стороны, тритий имеет два нейтрона в ядре, что делает его нестабильным и радиоактивным с периодом полураспада 12,5 лет. Таким образом, он практически не существует в природе и должен быть искусственно произведен. Наиболее распространенный и продуктивный способ производства трития – это облучение изотопа лития, известного как литий-6, в ядерных реакторах. Это создает цепочку распада, которая в конечном итоге производит небольшое количество тритиевого газа, который можно тщательно извлечь и очистить из ядерного реактора. Этот процесс настолько медленный, трудоемкий и сложный, что тритий является одним из самых дорогих материалов, когда-либо созданных, стоимостью примерно $30 000 за грамм!
Это Ахиллесова пята термоядерного синтеза. Даже если мы наконец создадим реакторы, которые могут производить чистую энергию в достаточном количестве, чтобы сделать их жизнеспособным источником энергии, добыча достаточного количества трития для их питания может оказаться финансово нецелесообразной. Мало того, мы можем даже не быть в состоянии добыть достаточное количество, чтобы питать всего один реактор, и просто работа одного большого термоядерного реактора, как ITER, может легко израсходовать все мировые запасы трития. Также не забывайте, что многие страны не позволят термоядерным реакторам исчерпать мировые запасы трития, так как они нужны им для пополнения арсенала водородных бомб, которые также используют реакцию дейтерий-тритий и нуждаются в пополнении каждые несколько лет из-за периода полураспада трития.
Так можно ли решить эту проблему? Или энергия термоядерного синтеза обречена?
Ну, термоядерные реакторы могут создавать собственный тритий. Реакции дейтерий-тритий производят огромное количество нейтронного излучения; это тот тип излучения, который вызывает превращение и распад лития-6 в тритий. Таким образом, многие ученые предлагают использовать одеяла из лития, обогащенные до более высокого уровня содержания лития-6, внутри термоядерных реакторов. Это, в теории, позволило бы этим реакторам быть самодостаточными, по крайней мере, в плане трития.
Однако большая часть энергии, выделяемой реакциями дейтерий-тритий, находится в форме нейтронного излучения. Так что отбор значительного количества этого излучения для генерации трития отнимает значительную часть энергии, которую можно извлечь из реакции термоядерного синтеза. Таким образом, это означает, что эти реакторы должны производить намного больше чистой энергии, чтобы быть жизнеспособным источником энергии. Это фактически означает, что реакторы должны быть еще более эффективными, что чрезвычайно сложно! Таким образом, решение проблемы трития может занять десятилетия исследований и разработок и миллиарды долларов.
Другой вариант – использовать другие, более доступные изотопы. Helion – один из немногих проектов, использующих этот метод. Их реактор сливает дейтерий с другими атомами дейтерия, чтобы образовать гелион, изотоп гелия с одним нейтроном. Он не извлекает энергию из этой реакции, но сохраняет гелион и сливает его с оставшимся дейтерием. Эта реакция дейтерий-гелион сливается почти так же легко, как дейтерий-тритий, но высвобождает практически всю свою энергию в электромагнитном спектре, которую легче собирать и преобразовывать в электричество, чем энергию нейтронов при реакции дейтерий-тритий.
Однако у Helion есть свои проблемы. Он еще не приблизился к производству чистой энергии, и так как ему фактически нужно пройти два этапа синтеза, прежде чем он сможет производить энергию, эта задача столь же велика, как и использование литиевых одеял внутри реактора.
Так или иначе, из-за проблемы трития, энергия термоядерного синтеза все еще далека от реализации.