Современные атомные электростанции работают на основе ядерного деления — процесса, который включает расщепление атомов урана или другого радиоактивного материала для выработки тепла. Это тепло превращает воду в пар, который вращает турбины и вырабатывает электричество. Однако ученые по всему миру стремятся разработать станции на основе ядерного синтеза — механизма, схожего с тем, что используется в ядерном оружии и на Солнце, с целью уменьшения количества радиоактивных отходов, образующихся в промышленном секторе.
Густаво Каналь, профессор Института физики (IF) Университета Сан-Паулу (USP) и руководитель Национальной программы ядерного синтеза (PNFN), подробно описывает различия между двумя типами станций. Он объясняет, что коммерческие станции используют деление, при котором тяжелое ядро, такое как уран, бомбардируется нейтроном, вызывая его дестабилизацию и фрагментацию, что высвобождает энергию. Сложность заключается в удержании образовавшихся фрагментов, поскольку они являются радиоактивными и могут нанести будущий экологический ущерб.
Напротив, в синтезе вместо разрушения ядра используется легкое ядро, такое как дейтерий и тритий, которые сливаются. Этот процесс генерирует ядро гелия, которое не представляет радиационной опасности, а также нейтрон. Каналь отмечает, что большая часть энергии (около 80%) высвобождается нейтроном, а общая энергия синтеза в десять раз превышает энергию, получаемую при делении.
Дейтерий и тритий, часто используемые в экспериментах по ядерному синтезу, классифицируются как «водородсодержащие соединения» — это атомы, состоящие из ядра, одного электрона и легких ядер.
По словам профессора, исследования в области ядерного синтеза требуют очень высокого энергопотребления, что в настоящее время препятствует его крупномасштабному коммерческому применению. Для запуска реакции синтеза необходимо нагреть газ до впечатляющих 150 миллионов градусов Цельсия, чтобы он достиг состояния плазмы. В этом состоянии газ должен поддерживаться горячим, потребляя энергию, до тех пор, пока экстремально высокая температура — в десять раз выше температуры центра Солнца — не позволит начать реакции синтеза.
На реакторе токамак JET в Англии наиболее значительный прогресс был достигнут в эффективности производства энергии на уровне 70% по сравнению с энергией, затраченной на поддержание плазмы в нагретом состоянии. Другой подход к инициированию реакций синтеза — создание плазмы высокой температуры с использованием мощных лазеров. В Франции строится реактор в рамках международного консорциума ITER, предназначенный для выработки в десять раз больше энергии, чем потребляется. Это оборудование требует подачи мощности 50 МВт для нагрева плазмы, и этот вклад считается необходимыми инвестициями для получения отдачи.
Тьяго Мастрангело, профессор Центра ядерной энергетики в сельском хозяйстве (CENA) USP Пирасикаба, утверждает, что энергия ядерного синтеза надежна и потенциально безопаснее, чем деление, используемое на традиционных электростанциях. Теоретически, станции на синтезе должны быть безопаснее; на обычной станции деления сбои в охлаждении могут привести к слиянию и расплавлению ядерного топлива, что может вызвать взрывы, подобные тем, что произошли в Чернобыле, высвобождая различные радиоизотопы в воду, воздух и пар, как это случилось в Фукусиме.
Мастрангело уточняет, что, хотя реактор синтеза и несет риски, связанные с высокими температурами и магнитными полями, эти риски не являются катастрофическими, как в традиционных реакторах. Основным побочным продуктом синтеза является гелий, инертный газ. Однако из-за циркуляции нейтронов может происходить активация других материалов, что приводит к образованию некоторых радиоактивных элементов, но в гораздо меньших масштабах, чем наблюдается в традиционном реакторе деления.
Помимо выработки электроэнергии, Мастрангело указывает, что технология ядерного синтеза может быть применена в других социальных сферах, таких как промышленность и здравоохранение. Хотя основной фокус — это электричество, выделяемое тепло может использоваться для производства водорода или опреснения воды. Кроме того, нейтроны из реактора синтеза могут использоваться для производства радиоизотопов, предназначенных для медицины, или для создания сверхпроводящих магнитов, применимых в аппаратах МРТ.
