Штучні зірки на Землі: чи можлива термоядерна енергетика?

Термоядерний синтез – це процес злиття легких атомних ядер (переважно ізотопів водню) у більш важкі, при якому виділяється надзвичайно велика кількість енергії. Ця енергія живить Сонце та інші зірки і вважається практично невичерпною та чистою【2】. Суть процесу пояснює відома формула E=mc², згідно з якою навіть мізерні втрати маси перетворюються на величезні енергетичні обсяг. Наприклад, реакція дейтерію та тритію (²H + ³H) дає гелій та нейтрон і виділяє ≈17,6 МеВ енергії, що еквівалентно спалюванню тисяч літрів палива. Крім того, термоядерний синтез не спричинює парникових викидів і не загрожує аварією на кшталт Чорнобиля: він виробляє мінімум довгоживучих відходів і не може зазнати небезпечного розпаду плазми【4】. Завдяки цим властивостям термоядерний синтез розглядається як «Святий Грааль» енергетики, потенційне рішення проблеми вичерпності викопного палива та зміни клімату【2】. Концепція «штучних зірок» полягає у створенні на Землі умов, що імітують центр Сонця – тобто надзвичайно високу температуру і тиск, за яких ядра стикаються і зливаються, вивільняючи енергію, яку можна використовувати для виробництва електрики.

Фізичні принципи: ядерні реакції та умови запалювання

Основні термоядерні реакції пов’язують легкі водневі ізотопи. Найефективнішою є суміш дейтерію (²H) та тритію (³H):

• ²H + ³H → ⁴He + ¹n + 17,6 МеВ,де ⁴He – ядро гелію-4 (альфа-частинка), а ¹n – швидкий нейтрон. Енергія в реакції береться з «втраченої» маси, згідно з формулою Айнштайна E=mc². Характерно, що~1 грам D–T-палива при повному злитті виділяє стільки ж енергії, скільки виділяє спалювання близько 2400 літрів нафти【4】. Ця величезна енергія виділяється в основному у вигляді кінетичної енергії альфа-частинок (³He) і нейтронів. Утворений гелій (альфа-частинка) нестабільно розсіюється в гідродинамічному потоці плазми й майже не випромінює радіацію, а енергія швидких нейтронів захоплюється конструкцією реактора та теж перетворюється на тепло. Завдяки цьому термоядерний реактор випромінює в навколишнє середовище переважно теплову енергію, а не іонізуюче випромінювання.

Утримати плазму з іонізованих ядер можливо двома способами: магнітним і інерційним. Магнітний підхід полягає у кручення плазми в тороїдальній камері з потужними магнітами (конфайнмент), щоб гарячі ядра зіштовхувалися між собою достатньо довго. Для виникнення реакції синтезу потрібні екстремальні умови: температура порядку сотень мільйонів градусів (T ≳ 10^8 °C) і достатня щільність плазми. Наприклад, у концепції компактного токамака SPARC передбачається температуру понад 100 млн °C【6】. Окрім того, важливим показником є критерій Лоусона, який визначає необхідну комбінацію густини плазми n і часу її утримання τ: n·τ ≳ 10^20 (м⁻³·с)【8】. Це означає, що для самопідтримуваної термоядерної реакції добуток концентрації і часу повинен перевищувати певний поріг. Після того, як реакція запалиться (тобто енергія від злиття перевищить усі втрати), плазма сама себе обігріває за рахунок альфа-частинок, що залишаються в системі. Досягти умов запалювання – головна технічна задача: за умов експериментів, навіть незначні дефекти у формі паливної капсули чи нестабільності плазми можуть істотно збільшити необхідні затрати енергії, знижуючи вихід реакції8】.

Історичний розвиток ідеї: від перших досліджень до токамака та лазерного синтезу

Ідея термоядерного синтезу як джерела енергії мала довгу історію. Уже у 1920-х роках англійський астрофізик Артур Еддінгтон (1882–1944) припустив, що зірки черпають енергію з перетворення водню на гелій. Він опублікував цю думку у 1926 р., що заклало основи теорії еволюції зірок. У 1934 році Ернест Резерфорд (1871–1937) провів перший лабораторний експеримент злиття ядер: він змусив дейтерій (²H) об’єднатися з воднем і отримати гелій-3, зауваживши «величезний ефект» від реакції. Його учень Марк Оліфант (1901–2000) розширив експеримент і відкрив існування тритію, показавши, що важка форма водню може вступати у реакції з іншими важкими ядрами. Паралельно німецько-американський фізик Ганс Бете (1906–2005) наприкінці 1930-х років розробив теорію зіркового нуклеосинтезу і пояснив, що в Сонці і зірках енергія виділяється через так званий протон–протонний цикл【3】. Так набуто фундаментального розуміння природного термоядерного синтезу.

Артур Еддінгтон (1882–1944). Автор: Bassano Ltd Суспільне надбання (Public Domain), https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4548451

Після Другої світової війни почали розглядати можливість контрольованого синтезу на Землі. У 1950 році радянські вчені Андрій Сахаров (1921–1989) та Ігор Тамм (1895–1971) запропонували схему тороїдальної камери з магнітним утриманням для плазми – перший прообраз токамака. Незабаром (1951 р.) американський астрофізик Лайман Спітцер (1914–1997) незалежно представив концепцію стеларатора – іншого магнітного контейнера для плазми【3】. Проте наприкінці 1950-х ідея стеларатора поступилася перевагою токамаку: досліди під керівництвом Лева Арцимовича (1909–1973) виявили, що токамак більш ефективно утримує плазму. У такий спосіб у 1960-і роки токамак став основним типом експериментальної установки для синтезу, збудженим як у СРСР (перші досліди відбулися під проводом Капіци), так і в інших країнах.

Паралельно уявляли й інші підходи. Так, у 1972 році колишній директор Ліверморської нац. лабораторії Джон Накколс (1930–2014) та його колеги запропонували інноваційний концепт інерційного термоядерного синтезу【5】. Вони розраховували використовувати потужні лазери для здавлювання невеликих капсул з D–T-паливом до надзвичайно високих температур і густини, змушуючи ядра швидко з’єднуватися перед розбігом. Ця ідея втілювалася в проєктах лазерного синтезу: згодом лабораторії (зокрема Національний комплекс NIF у США та «Лазер Мегаджоул» у Франції) почали використовувати багатолазерні системи для експериментів з інерційним синтезом【1,5】. Таким чином до кінця XX століття зрозуміли: для практичного палива годяться передусім ізотопи водню – дейтерій і тритій – а основні напрямки досліджень лежать у площині магнітного (токамаки, стеларатори) та інерційного (лазери, прискорювачі) утримання плазми.

Сучасні проєкти: ITER, SPARC та інерційний синтез

Сьогодні у світі діє кілька міжнародних та приватних проєктів, які покликані реалізувати термоядерну енергетику. Наймасштабнішим є ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) – спільний проєкт ЄС, США, Китаю, Індії, Японії, Кореї та інших країн. У Франції зводять гігантський токамак масою 23 тис. тонн і діаметром ~30 м, де планується досягти показника потужності Q≳10 (тобто випустити в 10 разів більше енергії, ніж буде витрачено на нагрів). При успіху ITER має демонструвати інженерні рішення для майбутніх термоядерних електростанцій, зокрема управління великими потужностями і вирішення теплових навантажень від нейтронів.

Будівництво Міжнародного термоядерного експериментального реактора (ITER) триває на майданчику на півдні Франції. На цій фотографії показані два з 18 гігантських надпровідних магнітів, які допоможуть сформувати серце ITER, 23 000 метричний токамак, в якому плазма буде обмежена і нагріта для досягнення чистого приросту енергії від термоядерного синтезу. Зображення: https://www.scientificamerican.com/article/worlds-largest-fusion-project-is-in-big-trouble-new-documents-reveal/

Одночасно розвиваються приватні ініціативи. Наприклад, компанія Commonwealth Fusion Systems (США) будує SPARC – компактний токамак з надпровідними магнітами нового покоління. У порівнянні з попередніми установками, SPARC матиме надпотужне магнітне поле, що дозволить зменшити розміри реактора. Проєкт планує розігнати плазму до >100 млн °C і отримати 50–100 МВт синтезної потужності при коефіцієнті Q≥10. У квітні 2025 р. розпочато складання його криостату – першого кроку до складання самого реактора【6】. Інші приватні компанії (наприклад, General Fusion, Tokamak Energy) досліджують змінені модифікації токамаку або альтернативні схеми із магнітною системою.

З боку інерційного синтезу, виділяється Національний комплекс лазерних термоядерних реакцій (NIF) у США, обладнаний 192 лазерами. У грудні 2022 року Міністерство енергетики США офіційно повідомило: у NIF уперше в історії досягли термоядерного запалювання – реакції, що випускає більше енергії, ніж споживає【2, 1】. Під час експерименту націлили 2 МДж лазерної енергії на крихітну паливну капсулу, і результатом стало вироблення ~3 МДж від злиття (тобто показник Q≈1,5). Цього досягнення чекали десятиліттями як критичного пункту. Водночас варто зазначити, що уся система NIF спожила близько 300 МДж електроенергії для генерації цих лазерів – тобто загальний ККД поки надзвичайно малий. У світі також створюють інші інерційні установки (лазери в Європі, ІЧФ (інтенсивне імпульсне променеве) експерименти тощо), а також ведуться роботи з гібридних і альтернативних схематик, аби підвищити ефективність лазерної компресії.

Термоядерна енергетика: проблеми та перспективи

Незважаючи на історичні успіхи, перед термоядерною енергетикою стоїть низка складних проблем. Головна – необхідність забезпечити таке поєднання густини плазми, температури і часу утримання (критерій Лоусона), за якого вихід енергії суттєво перевищить затрати. У сучасних установках велика частина енергії витрачається саме на нагрів і стискання пального: наприклад, лише 10–30% лазерної енергії у NIF доходить до паливної капсули. Усе це означає, що хоча схематично запалювання можливе, технічно треба значно підвищити ефективність. Експерти наголошують: навіть після рекордного стрілу NIF «потрібно багато працювати, щоб підвищити ефективність до такого рівня, аби система повністю випускала більше енергії, ніж споживає». Аналогічні виклики існують і в магнітних реакторах: долається нестабільність плазми (хвилі, турбуленції, вихори), матеріали мусять витримувати потужний нейтронний потік і теплове навантаження, а надпровідні магніти – різкі зміни полів. Також потреби в тритії (радіоактивний ізотоп) та контроль його циклу ускладнюють паливний цикл. Нині вартість будівництва та експлуатації експериментальних установок сягає мільярдів доларів (наприклад, вартість NIF ~3,5 млрд дол), тому економічна виправданість поки що далека【2】.

Людство намагається приборкати енергію Сонця, прагнучи відтворити термоядерний синтез у контрольованих умовах на Землі

Разом із тим нові результати дають надію: у лабораторіях кажуть, що досягнення «прильоту» 1,5× показує можливість – це «підсумок понад п’ятидесятилітніх досліджень і доказ того, що контрольований лабораторний термоядерний синтез принципово можливий»【5】. Тож перспективи полягають у подальшому збільшенні коефіцієнта корисної дії Q, вдосконаленні технологій (потужніші лазери, нові надпровідники, стабільніші конфайнмент-системи) і переході до демонстраційних реакторів наступного покоління (DEMО). У найбільш оптимістичному сценарії, за умови вирішення технічних перешкод, термоядерна електроенергетика може стати епохальною: її майже невичерпні запаси палива (дейтерій із води) й відсутність викидів СО₂ обіцяють «зелений» надпотужний енергоресурс майбутнього. Наразі гонитва за «штучними зорями» продовжується у багатьох лабораторіях світу, і кожен новий експеримент підказує, які рішення приведуть до термоядерної станції на електромережі.

Джерела

1. Department of Energy (US). DOE National Laboratory Makes History by Achieving Fusion Ignition [Електронний ресурс]. – 13.12.2022. – Режим доступу: https://www.energy.gov/articles/doe-national-laboratory-makes-history-achieving-fusion-ignition

2. Тартачний О. Що таке термоядерне запалювання… пояснює фізик-ядерник [Електронний ресурс]. – SPEKA. – 05.01.2023. – Режим доступу: https://speka.media/comu-termoyaderne-zapalyuvannya-nazivayut-velikim-prorivom-u-termoyadernomu-sintezi-poyasnyuje-fizik-yadernik-pke1ep

3. History of Fusion [Електронний ресурс]. – EUROfusion (ITER Organization). – Режим доступу: https://euro-fusion.org/fusion/history-of-fusion

4. Plasma Control Laboratory (Lehigh University). What is Nuclear Fusion? [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://www6.lehigh.edu/~eus204/lab/PCL_fusion.php

5. Osolin Ch. LLNL’s Breakthrough Ignition Experiment Highlighted in Physical Review Letters [Електронний ресурс]. – LLNL News. – 2023. – Режим доступу: https://lasers.llnl.gov/news/llnls-breakthrough-ignition-experiment-highlighted-in-physical-review-letters

6. Assembly starts of SPARC, as ITER cryopumps completed [Електронний ресурс]. – World Nuclear News. – 04.04.2025. – Режим доступу: https://www.world-nuclear-news.org/articles/assembly-starts-of-sparc-as-iter-cryopumps-completed

7. Seife Ch. World’s Largest Fusion Project Is in Big Trouble, New Documents Reveal [Електронний ресурс]. – Scientific American. – 15.06.2023. – Режим доступу: https://www.scientificamerican.com/article/worlds-largest-fusion-project-is-in-big-trouble-new-documents-reveal

8. Критерій Лоусона [Електронний ресурс]. – Вікіпедія: вільна енциклопедія. – Режим доступу: https://uk.wikipedia.org/wiki/Критерій_Лоусона