Термоядерна енергетика, яка обіцяє забезпечити людство чистою, безпечною та практично невичерпною енергією, уже десятиліттями є об’єктом досліджень учених усього світу. Вона базується на принципах, що живлять зірки, зокрема наше Сонце, де ядра легких елементів, таких як водень, зливаються, утворюючи гелій і вивільняючи величезну кількість енергії. Новий термоядерний реактор NORM може стати проривом у цій сфері. Цю розробку з 2017 року фінансує корпорація Google і за цей період від концепта вдалося досягнути реального результата в утриманні плазми. Розгляньмо, як розвивається термоядерна енергетика, які ключові досягнення вже здобуто, коли можна очікувати працюючі електростанції та що це означає для України, де атомна енергетика відіграє значну роль.
Шлях розвитку термоядерної енергетики
Термоядерна енергетика почала активно розвиватися в середині XX століття, коли вчені зрозуміли, що реакції синтезу, які відбуваються на Сонці, можна відтворити на Землі. Основна ідея полягає в нагріванні плазми (газу з іонізованих частинок) до температур у десятки мільйонів градусів за Цельсієм, щоб ядра водню (зазвичай ізотопів дейтерію та тритію) зливалися, вивільняючи енергію. Проте створення умов для стабільної та контрольованої реакції синтезу виявилося надзвичайно складним завданням.
Наразі основними технологіями для термоядерних реакторів є токамаки та стеларатори, які використовують магнітні поля для утримання гарячої плазми, а також інерційний синтез, що передбачає стиснення палива за допомогою лазерів. Токамаки, такі як міжнародний проєкт ITER у Франції, є найпоширенішими. Вони мають форму тороїда (бублика) і створюють магнітне поле, яке утримує плазму, не дозволяючи їй торкатися стінок реактора. Стеларатори, як-от Wendelstein 7-X у Німеччині, мають складнішу конструкцію магнітних котушок, але вважаються перспективними для стабільної роботи. Інерційний синтез, який розвивають у США, зокрема в Національній лабораторії ім. Лоуренса Лівермора, використовує потужні лазери для стиснення паливних капсул.
Розвиток термоядерної енергетики гальмують кілька ключових проблем: необхідність підтримувати стабільну плазму при екстремальних температурах, досягнення позитивного енергетичного балансу (коли реактор виробляє більше енергії, ніж споживає), а також створення матеріалів, які витримують тривалий вплив нейтронів і високих температур. Проте останні десятиліття принесли значний прогрес, зокрема завдяки вдосконаленню комп’ютерного моделювання, нових матеріалів і штучного інтелекту для управління реакціями.
Ключові досягнення на сьогодні
Одним із найвизначніших досягнень у термоядерній енергетиці стало повідомлення американських учених у грудні 2022 року про перший експеримент із позитивним енергетичним балансом у Національній лабораторії ім. Лоуренса Лівермора. За допомогою лазерної системи National Ignition Facility (NIF) вони досягли вивільнення 3,15 МДж енергії при вкладенні 2,05 МДж, що стало історичним проривом. Хоча отримана енергія була невеликою (достатньою для кип’ятіння кількох чайників), це довело можливість досягнення чистого енергетичного виходу.
У Європі проєкт ITER, який об’єднує зусилля 35 країн, зокрема Китаю, США, ЄС і Японії, наближається до завершення будівництва. Очікується, що в 2035 році ITER проведе перші експерименти з плазмою, які мають продемонструвати десятикратне перевищення вихідної енергії над вкладеною. У Китаї, як повідомлялося раніше, запущено експериментальний реактор на розплавленій солі торію, що є кроком до безпечніших ядерних технологій, хоча це стосується не термоядерного, а подільного синтезу.
Ще одним важливим досягненням є розробка компактніших реакторів. Наприклад, проєкт NORM пропонує модульний підхід, який може знизити витрати та прискорити комерціалізацію. У Великобританії компанія Tokamak Energy працює над сферичними токамаками, які є меншими та дешевшими за традиційні. У США приватні компанії, такі як Commonwealth Fusion Systems, залучають мільярди доларів інвестицій для створення реакторів, що використовують надпровідні магніти для ефективнішого утримання плазми.
Коли чекати на працюючі електростанції?
Попри значний прогрес, комерційні термоядерні електростанції залишаються перспективою майбутнього. За оцінками експертів, перші демонстраційні реактори, які вироблятимуть електроенергію для мережі, можуть з’явитися не раніше 2040–2050 років. Проєкт ITER планує досягти ключових результатів у 2035 році, але він є дослідницьким, а не комерційним. Наступним кроком стане проєкт DEMO, який має стати прототипом комерційної станції, але його будівництво розпочнеться не раніше 2040-х років.
Приватні компанії, такі як Commonwealth Fusion Systems, заявляють про амбітніші плани, обіцяючи запуск перших станцій у 2030-х роках. Однак ці прогнози часто є оптимістичними, адже технологічні та інженерні виклики залишаються значними. Наприклад, необхідно розробити економічно вигідні методи видобутку тритію, який є рідкісним і дорогим, а також вирішити питання утилізації нейтронно-активованих матеріалів.
Що це означає для України?
Україна, де атомні електростанції виробляють близько 55% електроенергії, є однією з країн із найбільшою залежністю від ядерної енергетики. Чотири діючі АЕС — Запорізька, Рівненська, Хмельницька та Южно-Українська — із 15 реакторами забезпечують стабільне енергопостачання, але стикаються з викликами, пов’язаними з безпекою, утилізацією відходів і старінням інфраструктури. Війна з Росією додала нових ризиків, зокрема через окупацію Запорізької АЕС, найбільшої в Європі.
Термоядерна енергетика може стати для України довгостроковою альтернативою, яка зменшить залежність від уранового палива та ризиків, пов’язаних із подільними реакторами. Термоядерні реактори не виробляють довгоживучих радіоактивних відходів, не мають ризику катастрофічного розплавлення ядра, як у Чорнобилі, і використовують доступне паливо — дейтерій із води та тритій, який можна синтезувати. Це зробило б енергетику безпечнішою та екологічнішою.
Однак для України участь у розвитку термоядерної енергетики наразі обмежена через брак ресурсів і війну. Українські вчені можуть долучатися до міжнародних проєктів, таких як ITER, через співпрацю з європейськими партнерами, але створення власних дослідницьких центрів у найближчі десятиліття виглядає нереалістичним. Натомість Україна може зосередитися на модернізації наявних АЕС, розвитку відновлювальних джерел енергії (ВДЕ), які у 2021 році виробляли 8% електроенергії, та енергоефективності.
У довгостроковій перспективі термоядерна енергетика може допомогти Україні досягти цілей Паризької угоди щодо зниження викидів вуглецю, адже АЕС уже є низьковуглецевим джерелом енергії. Інтеграція термоядерних технологій у майбутньому дозволить диверсифікувати енергетичний сектор, зменшивши залежність від імпорту енергоресурсів і підвищивши енергетичну безпеку.
