Термоядерный синтез – процесс, питающий энергией звезды, – из научной фантастики стремительно превращается в реальную технологию, способную изменить глобальный энергетический ландшафт. В отличие от ядерного распада, лежащего в основе современных АЭС, синтез соединяет легкие атомные ядра, такие как изотопы водорода, высвобождая колоссальное количество энергии. Этот метод не производит парниковых газов, оставляет после себя минимальное количество радиоактивных отходов с коротким периодом полураспада и использует практически неисчерпаемое топливо. В условиях климатического кризиса и растущего спроса на энергию термоядерный синтез становится одним из самых многообещающих направлений чистой энергетики.
Идея получения энергии из слияния ядер зародилась еще в 1920-х годах, когда астрофизик Артур Эддингтон предположил, что именно так получают энергию звезды. После Второй мировой войны исследования активизировались, и в 1950-х годах в СССР была создана ключевая технология – токамак. Эта тороидальная («пончикообразная») камера, удерживающая раскаленную плазму с помощью мощных магнитных полей, до сих пор остается наиболее перспективной конструкцией для термоядерных реакторов. Важной вехой стали эксперименты на установке Joint European Torus (JET) в Великобритании, где в 1997 году было получено 16 мегаватт термоядерной мощности.
Суть процесса заключается в слиянии ядер дейтерия и трития – изотопов водорода. Для этого необходимо разогреть их до температуры свыше 100 миллионов градусов Цельсия, что горячее ядра Солнца. В таких условиях вещество переходит в состояние плазмы. Удержание этой плазмы является главной технологической задачей. Энергия, выделяемая при реакции, уносится нейтронами, которые нагревают теплоноситель. Далее пар вращает турбины, вырабатывающие электричество – по аналогии с традиционными тепловыми электростанциями. Хотя дейтерий легко добыть из морской воды, тритий редок, и его планируется производить прямо в реакторе из лития, что является еще одним сложным инженерным вызовом.
Исторический прорыв произошел в 2022 году в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций США (NIF). Ученым впервые удалось получить от реакции синтеза больше энергии, чем было затрачено на ее запуск. Это достижение, известное как «научная безубыточность», вызвало волну глобального энтузиазма и привлекло новые инвестиции в отрасль. В NIF используется метод инерциального удержания, при котором 192 мощных лазера сжимают крошечную топливную гранулу, создавая условия для синтеза. Однако стоит отметить, что этот успех не учитывает энергию, потребляемую самими лазерами, поэтому до коммерческой эффективности еще далеко.
Сегодня в мире реализуются десятки амбициозных проектов. Флагманом международных усилий является ITER, гигантский экспериментальный реактор, строящийся во Франции при участии 35 стран. Его задача – продемонстрировать возможность получения десятикратного прироста энергии и отработать ключевые технологии для будущих электростанций. Китайский реактор EAST бьет рекорды по удержанию высокотемпературной плазмы, а Южная Корея с проектом KSTAR достигла впечатляющих результатов по стабильности плазмы. В Германии установка Wendelstein 7-X исследует альтернативную конструкцию – стелларатор, который потенциально может работать в непрерывном режиме.
Наряду с государственными инициативами в гонку активно включился частный сектор. Такие компании, как Commonwealth Fusion Systems, Helion Energy и TAE Technologies, разрабатывают более компактные и экономичные реакторы, стремясь ускорить коммерциализацию. Commonwealth Fusion Systems планирует запустить демонстрационную установку SPARC уже к концу 2020-х. А компания Helion даже заключила соглашение с Microsoft о поставках термоядерной электроэнергии к 2028 году – смелая цель, подчеркивающая растущий коммерческий интерес к технологии.
Несмотря на оптимизм, путь к коммерческой эксплуатации термоядерной энергии полон препятствий. Стоимость строительства таких реакторов огромна – бюджет ITER превысил 20 миллиардов евро. Чтобы стать конкурентоспособной, стоимость термоядерной электроэнергии должна быть сопоставима с энергией от возобновляемых источников и АЭС. Также остро стоит проблема разработки материалов, способных выдерживать экстремальную температуру и нейтронное излучение внутри реактора. Ведутся исследования новых сплавов и композитов, которые обеспечат долговечность и безопасность установок.
Один из главных козырей термоядерного синтеза – его экологическая безопасность. Он не создает долгоживущих радиоактивных отходов, характерных для атомной энергетики. Отходы от активации конструкционных материалов реактора имеют низкий или средний уровень радиоактивности и значительно более короткий период полураспада, что упрощает их утилизацию. Дальнейшие успехи в материаловедении могут еще больше снизить эту проблему.
По оценкам большинства экспертов, термоядерный синтез сможет внести весомый вклад в мировую энергетику не ранее 2040–2050-х годов. Этот путь включает создание экспериментальных реакторов, демонстрационных установок и, наконец, серийных коммерческих электростанций. Хотя термоядерный синтез не решит климатический кризис в ближайшее десятилетие, он имеет все шансы стать одним из столпов чистой энергетики будущего, обеспечив человечество надежным и безопасным источником энергии, подобным тому, что зажигает звезды.
