Термоядерный синтез кажется идеальным источником энергии. Теоретически он может обеспечивать огромные объемы энергии по запросу без выбросов, токсичных отходов и практически без радиоактивных отходов. Его топливо настолько энергоемкое, что всего несколько тонн могут обеспечить энергией целую страну на год. Но не бывает бесплатного обеда. Создание реактора термоядерного синтеза, который производит больше энергии, чем потребляет, оказалось инженерным кошмаром, хотя мы находимся на грани решения этой проблемы. Однако даже если мы решим эту колоссальную задачу, термоядерная энергия все равно останется недосягаемой, поскольку один из ключевых компонентов ее топлива, известный как тритий, настолько редок и так сложно производим, что в настоящее время его стоимость составляет около 30 000 долларов за грамм! Это и есть не афишируемая ахиллесова пята термоядерного синтеза, но, возможно, мы находимся на пороге решения и этой проблемы.
Как всегда, говоря о термоядерном синтезе, давайте быстро напомним, что это такое и почему тритий так важен.
Термоядерный синтез — это процесс, который питает звезды. Температура и давление в их ядре настолько высоки, что атомы водорода получают достаточно кинетической энергии, чтобы преодолеть силу отталкивания, которая удерживает атомы друг от друга. Таким образом, когда два атома водорода сталкиваются в этой сверхгорячей и сверхплотной плазме, они сливаются, образуя гелий. Но этот гелий немного легче, чем два атома водорода, из которых он образовался. Эта разница в массе преобразуется в энергию и высвобождается. Известное уравнение Эйнштейна E=MC² утверждает, что небольшая масса эквивалентна огромному количеству энергии. Это означает, что если вы синтезируете небольшое количество водорода, выделится поистине огромное количество энергии! Чтобы дать вам представление о масштабе, если синтезировать 17 тонн водорода, это произведет достаточно энергии, чтобы обеспечить всю США энергией на год!
Однако различные изотопы (разные типы одного и того же химического элемента с разным количеством нейтронов) водорода сливаются при разных уровнях кинетической энергии и выделяют разное количество энергии в разных формах. Наиболее эффективный синтез (минимальная энергия для слияния и максимальная выделяемая энергия) происходит между дейтерием (водородом с одним нейтроном) и тритием (водородом с двумя нейтронами). Поэтому почти все реакторы термоядерного синтеза на Земле специально разработаны для работы с этими двумя изотопами и не могут функционировать без них.
И здесь возникает проблема.
Дейтерий очень стабилен, относительно распространен и легко извлекается из обычной воды с помощью химических методов. Тритий, с другой стороны, нестабилен и имеет период полураспада 12,33 года, а потому практически не встречается в природе и должен быть искусственно произведен с огромными усилиями. Самый распространенный и до сих пор самый продуктивный способ производства трития — это облучение изотопа лития, известного как литий-6, в ядерных реакторах. Это создает цепь распада, которая в конечном итоге производит небольшое количество трития, который затем извлекается из ядерного реактора. Это невероятно трудоемкий процесс, отсюда и цена в 30 000 долларов за грамм, и именно поэтому на Земле сейчас существует лишь несколько килограммов этого вещества.
При высокой цене и крайне ограниченных запасах трития, даже если бы завтра был создан идеальный термоядерный реактор, термоядерная энергия просто не могла бы быть жизнеспособным энергетическим решением. Что поразительно, мы сейчас тратим миллиарды долларов в год на разработку термоядерных реакторов, но практически ничего не делаем для решения этой важнейшей проблемы.
Но стартап под названием Marathon пытается это изменить. Они разрабатывают технологию, которая позволила бы термоядерным реакторам самостоятельно «производить» тритий и становиться самодостаточными.
Термоядерные реакторы производят то самое нейтронное излучение, необходимое для превращения лития-6 в тритий. Фактически, они производят его гораздо больше, чем любые ядерные реакторы деления, так как реакции слияния дейтерия и трития высвобождают большую часть своей энергии в виде нейтронного излучения.
Таким образом, Marathon разрабатывает технологию, которая окружает реактор одеялами из лития-6 и использует это излучение для производства трития в большем количестве, чем требуется для работы реактора. Эта идея не нова, и многие проекты термоядерного синтеза уже говорят о ее реализации. Однако никто еще не воплотил эту идею в жизнь, чем и занимается Marathon.
Частично причиной того, что никто активно не развивает эту технологию, является то, что текущие термоядерные реакторы работают только короткими импульсами, поэтому у этих «одеял» нет достаточного времени, чтобы правильно облучиться и произвести значительное количество трития. С другой стороны, реакторы следующего поколения, такие как ITER, должны быть способны работать достаточно долго. Но есть и другие проблемы. Как извлечь тритий и ввести его в сверхплотную плазму в ядре реактора, не расходуя огромное количество энергии? Более того, поскольку реакции слияния дейтерия и трития высвобождают всю свою энергию в виде нейтронного излучения, использование этого излучения для производства трития делает реактор менее эффективным, оставляя меньше доступной энергии для поддержания термоядерного синтеза или для его извлечения. А поскольку эффективность является главным препятствием для термоядерных реакторов, это серьезная проблема.
Так как же Marathon планирует решить эти проблемы?
Они намерены использовать 40-летнюю технологию, известную как суперпермеация, которая использует твердый металл для фильтрации примесей из водорода. Видите ли, водород является самым маленьким атомом, и он может проходить через материалы, через которые не могут пройти другие элементы. Таким образом, твердый металлический фильтр может пропускать только водород, и поскольку единственной формой водорода, которую будут производить эти облученные одеяла из лития-6, является тритий, они идеально подходят для быстрой и эффективной очистки трития. Но в качестве приятного бонуса процесс суперпермеации также значительно сжимает водород, что дает ему необходимое давление для введения в сверхплотную плазму в реакторе. Таким образом, эти металлические фильтры действуют как почти полностью пассивная система для очистки трития и его введения в реактор, что экономит огромное количество энергии по сравнению с предложенными в настоящее время системами.
Это не полностью решает проблему энергопотребления, так как используется нейтронное излучение, которое могло бы пойти на производство энергии или поддержание синтеза. Тем не менее реакторы, такие как ITER, по прогнозам, будут производить в десять раз больше энергии, чем требуется для их работы, поэтому те энергоэффективные решения, над которыми работает Marathon, могут оказаться достаточными.
Итак, именно так Marathon планирует решить одну из самых больших проблем термоядерной энергетики. Более того, поскольку у них уже есть письма о намерениях от гигантов термоядерной индустрии, таких как Helion и Commonwealth Fusion, они, похоже, на правильном пути к разработке своей технологии в жизнеспособное решение и сохранению наших мечтаний о термоядерной энергии.
