Термоядерная энергия: панацея или утопия?

На самом деле, ученые пророчат большие прорывы в этой сфере еще с середины ХХ века, однако мы до сих пор так и не научились получать избыток энергии (то есть, такое количество энергии, которое превышало бы объем энергии, затраченный на поддержание термоядерной реакции). Постепенно это поле захватывают небольшие компании, которые менее бюрократизированы и быстрее реагируют на вызовы, чем большие научно-исследовательские институты или научные коллаборации вроде ITER, благодаря чему ситуация, по мнению экспертов, действительно меняется.

Рано или поздно ученые найдут способ получить больше энергии, чем требуется для работы реактора (более того, первые успехи в этом направлении уже есть). Однако недавно эксперты начали говорить о новой проблеме, которая может перечеркнуть все усилия исследователей. На планете заканчивается тритий.

Как работает ядерный синтез

Нехватка трития может стать серьезной проблемой для будущего термоядерной энергетики. Этот изотоп водорода является топливом ядерного синтеза: ядра дейтерия и трития сливаются в нагретой плазме, превращаясь в гелий и выделяя энергию. Именно эта комбинация считается самой перспективной с практической точки зрения, поскольку дейтерий и тритий плавятся при относительно низкой температуре.

Однако если дейтерий производить мы научились, добывая десятки тысяч тонн в год, то с тритием ситуация намного сложнее. Согласно последним оценкам, в мире осталось всего 20 килограмм трития, а добывать новый далеко не так просто. Сейчас именно тритий можно назвать самым дорогим веществом на Земле — один грамм трития стоит $30 тыс.

Эксперты утверждают, что работающим термоядерным реакторам потребуется до 200 кг трития в год. Учитывая, что многие реакторы питаются за счет этой комбинации изотопов, а также перспективу того, что исследования затянутся дальше 2050-х годов, человечество банально может исчерпать все запасы трития прежде чем оно обуздает энергию, питающую наше Солнце.

Проблему добавляет и то, что тритий быстро распадается. Его период полураспада составляет чуть более 12 лет — соответственно, большинство реакторов, среди которых ITER — самый большой международный проект по изучению и практическому исследованию термоядерной энергетики, — так и не дождутся топлива для своей работы.

Сейчас ученые получают тритий с помощью тяжеловодных ядерных реакторов — специфических реакторов деления, который в качестве теплоносителя и замедлителя использует тяжелую воду. Однако 26 таких реакторов производят около 2,5−3 килограмм трития в год — этого достаточно для исследований, однако чрезвычайно мало для постоянного поддержания работы термоядерного реактора.

И даже постройка новых «тритиевых заводов» не поможет, ведь тогда теряется весь смысл термоядерного реактора. Ученые хотят обуздать звездную энергию не потому, что это звучит круто (хотя звучит действительно круто), а потому, что это намного более безопасный и экологичный способ получать энергию. Фактически, это самый природный процесс из тех, что есть во Вселенной. А подобная добыча трития нивелирует всю чистоту процесса — это как создавать новую Tesla с бензиновым двигателем.

Какие альтернативы?

Ученые давно знали об этом камне преткновения, а потому работали над тем, чтобы найти альтернативные способы добычи трития — и даже пытались полностью заменить его для достижения ядерного синтеза.

Спасителем может стать реактор-размножитель — ядерный реактор, который одновременно сжигает топливо и параллельно производит его. Для этого токамак — установка в форме пончика для магнитного удержания плазмы — планируют окружить «одеялом» из изотопа лития-6, молекулы которого при столкновении с нейтроном из реактора создают «дополнительный» тритий, который затем можно извлечь и использовать для дальнейшего питания реактора.

В теории это рабочая схема, однако практические исследования пока что нам недоступны. Изначально ученые рассчитывали провести испытания в рамках ITER, однако из-за раздутого почти в пять раз бюджета эти работы пришлось отложить, а «одеяло» заменить на небольшие «куски» лития, которые будут выстроены вокруг токамака.

Полномасштабные же исследования можно будет провести уже после 2035 года, когда появятся новые поколения реакторов. Однако это далеко не лучший путь, ведь в таком случае мы можем остаться без трития еще до начала подобных исследований. Кроме того, на них уйдет немало времени, из-за чего человечество будет без рабочих термоядерных реакторов практически до конца столетия — фактически, они будут стоять без работы, даже если ученые найдут способ взломать ядерный синтез.

Есть и другие способы добычи трития, однако на данный момент они в лучшем случае претендуют на звание резервных стратегий из-за своей дороговизны. Поэтому сейчас многие ученые все более скептически относятся к ITER и другим проектам, использующих тритий для добычи термоядерной энергии, и смотрят в сторону альтернатив.

Например, калифорнийская компания TAE Technologies пытается построить термоядерный реактор, использующий водород и бор, который станет более доступной альтернативой дейтерий-тритиевому ядерному синтезу. В компании ожидают, что сумеют добыть больше энергии, чем требуется для поддержания реакции уже к 2025 году. Это наверняка слишком оптимистичные, но все равно интригующие планы — если альтернатива тритию все-таки будет найдена, то у человечества останутся шансы все-таки прийти к коммерчески выгодной термоядерной энергии.

Еще одним спасением может выступить Гелий-3, который также может выступать в качестве термоядерного топлива. Недавно ученые неожиданно даже для самих себя обнаружили изобилие этого изотопа на Земле — потенциально он может быть в десять раз более распространен на планете, чем считалось ранее. Кроме того, значительные запасы Гелия-3 есть на Луне — сейчас это кажется нереальным, однако в течении нескольких десятилетий мы можем научиться добывать полезные ресурсы не только на Земле, что стало бы очень кстати в данном случае.

Кирилл Чеботарев