Искусственное солнце: как первый в мире термоядерный реактор изменит мир

Следовать за солнцем

Исследователи синтеза издавна предпочитали токамаки как лучший способ сдерживания этого плазменного зверя. Разработанные еще советскими физиками в 1950-х годах реакторы позволяли достичь плотности, температуры и времени удержания плазмы гораздо более высоких, чем в любой другой машине до них. И по мере того, как физики усовершенствовали дизайн токамаков, они улучшали способ контроля высокоэнергетической плазмы.

Но с самого начала многие физики задавались вопросами, могут ли токамаки быть расширены для достижения коммерческой выходной мощности. И этот вопрос оказался невероятно сложным. Тороидальная камера должна быть окутана несколькими рядами электромагнитных катушек, формирующих магнитное поле, которое будет ограничивать плазму. И еще больше катушек должны проходить через отверстие «пончика», чтобы пропускать мощный электрический ток через плазму.

Затем идет топливо, смесь изотопов водорода — дейтерия и трития. Д-Т по праву считается единственным вменяемым выбором для энергетического реактора, поскольку зажигается при более низкой температуре, чем любая другая комбинация — всего 100 миллионов кельвинов (почти столько же в цельсиях) — и выдает больше энергии. Но 80% этой энергии выходит из реакции в виде превышения скорости нейтронов, которые сеят хаос на стенках энергетического реактора, делая их чрезвычайно радиоактивными в результате. Чтобы вырабатывать электроэнергию, энергию нейтронов нужно использовать для нагревания воды в обычной паровой турбине — а этот процесс эффективен только на 30-40%.

Стоимость, сложность и медленный прогресс также преследуют инерциальный управляемый термоядерный синтез, наиболее заметную альтернативу магнитному удержанию токамаков. Этот подход, в ходе которого замороженные топливные гранулы взрываются мощными лазерными лучами, также получает часть государственного финансирования. Но несмотря на десятилетние усилия с инерциальным синтезом, инициативы вроде Национального фонда зажигания в Ливерморской национальной лаборатории все еще пытаются выполнить свои энергетические обещания синтеза.

Анализ: «Искусственное солнце Китая»

Корреспондент по вопросам науки и технологий Николай Воронин:

«Китайские ученые на прошлой неделе разогрели плазму до еще более высокой температуры в специальном устройстве EAST, расположенном в городе Хэфэй.

Эксперимент получил название «искусственное солнце Китая», и его основная цель — создание условий, необходимых для управляемого термоядерного синтеза, так что температурные рекорды в некотором смысле побочный эффект.

Электронная температура плазмы, удерживаемой магнитной ловушкой токамака, достигла нового максимума, на некоторое время превысив 100 млн градусов.

Для сравнения: максимальная температура в центре нашей звезды составляет примерно 15 млн градусов».

Британская фирма надеется достичь китайского результата в 100 млн градусов к следующему лету.

«Мы ожидаем, что сможем достичь момента приращения энергии к 2022 году и начать поставки энергии в сеть к 2030-му», — говорит Карлинг.

Тем временем в США Массачусетский технологический институт (МТИ) совместно с недавно созданной компанией Commonwealth Fusion Systems (CFS) работает надо созданием токамака в форме тороида под названием Sparc. В нем также будут установлены магнитные ловушки для плазмы.

Проект частично финансируется фондом Breakthrough Energy Ventures, которым руководят Билл Гейтс, Джефф Безос, Майкл Блумберг и другие миллиардеры. Группа разработчиков надеется сделать термоядерные реакторы достаточно компактными, чтобы их можно было устанавливать на фабриках и транспортировать для установки на производственной площадке.

Эти частные инициативы бросают вызов проекту ITER (Международный термоядерный экспериментальный реактор), флагманскому международному проекту в этой сфере с участием 35 стран.

Image caption

Реактор ITER не будет достроен до 2025 года

ITER, что на латыни также значит «путь», строит крупнейшую экспериментальную термоядерную установку в мире. Однако завершение строительства не ожидается до 2025 года, а после этого проект ждет еще долгий путь до коммерциализации.

«Участники ITERпо-разному оценивают, насколько срочно нужно перейти к термоядерной энергии как части будущего чистой энергетики, — сказал Би-би-си пресс-секретарь проекта. — Кто-то ждет электричества с термоядерных реакторов до 2050 года, кто-то — только во второй половине века».

Но новички в этой сфере считают, что могут справиться лучше.

«С технологией ВТСП-магнитов термоядерный реактор может быть намного, намного меньше — Sparc может быть в 64 раза меньше ITER по объему и массе», — говорит Мартин Гринвальд, замдиректора центра исследований плазмы и термоядерного синтеза МТИ.

Меньший размер означает меньшие издержки, что открывает путь для небольших и гибких организаций, добавляет Гринвальд.

Но все участники, кажется, согласны, что работа в ITER, в Кулхэме и частном секторе дополняют друг друга.

Термоядерный реактор: меньше и мощнее

Недавно несколько конструкторов объявили о создании нового дизайна реактора. По словам группы студентов из Массачусетского технологического института, а также представителей компании – производителя вооружений «Локхид Мартин», термоядерный синтез можно осуществить в установках, которые гораздо мощнее и меньше, чем ITER, и они готовы сделать это в течение десяти лет.

Идея новой конструкции заключается в использовании в электромагнитах современных высокотемпературных сверхпроводников, которые проявляют свои свойства при охлаждении жидким азотом, а не обычных, для которых необходим жидкий гелий. Новая, более гибкая технология позволит полностью изменить конструкцию реактора.

Клаус Хеш, отвечающий за технологии ядерного синтеза в Технологическом институте Карлсруэ на юго-западе Германии, настроен скептически. Он поддерживает использование новых высокотемпературных сверхпроводников для новых конструкций реакторов. Но, по его словам, что-то разработать на компьютере с учетом законов физики недостаточно

Необходимо принять во внимание вызовы, которые возникают при воплощении идеи на практике

Ученые жгут

Словосочетание «термоядерный реактор» у многих людей вызывает настороженность. Ассоциативная цепочка понятна: термоядерная бомба страшнее просто ядерной, а значит, термоядерный реактор опаснее Чернобыля.

На самом деле ядерный синтез, на котором основывается принцип работы токамака, намного безопаснее и эффективнее ядерного деления, применяемого в современных АЭС. Синтез используется самой природой: Солнце представляет собой не что иное, как естественный термоядерный реактор.

Токамак ASDEX, построенный в 1991 году в немецком Институте Макса Планка, используется для испытания различных материалов первой стенки реактора, в частности вольфрама и бериллия. Объем плазмы в ASDEX — 13 м3, почти в 65 раз меньше, чем в ITER.

В реакции задействованы ядра дейтерия и трития — изотопов водорода. Ядро дейтерия состоит из протона и нейтрона, а ядро трития — из протона и двух нейтронов. В обычных условиях одинаково заряженные ядра отталкиваются друг от друга, однако при очень высоких температурах они могут сталкиваться.

При соударении в игру вступает сильное взаимодействие, которое отвечает за объединение протонов и нейтронов в ядра. Возникает ядро нового химического элемента — гелия. При этом образуется один свободный нейтрон и выделяется большое количество энергии. Энергия сильного взаимодействия в ядре гелия меньше, чем в ядрах исходных элементов. За счет этого результирующее ядро даже теряет в массе (согласно теории относительности энергия и масса эквивалентны). Вспомнив знаменитое уравнение E = mc2, где c — это скорость света, можно представить себе, какой колоссальный энергетический потенциал таит в себе ядерный синтез.

Август 2011. Начата заливка монолитной железобетонной сейсмоизолирующей плиты.

Чтобы преодолеть силу взаимного отталкивания, исходные ядра должны двигаться очень быстро, поэтому ключевую роль в ядерном синтезе играет температура. В центре Солнца процесс протекает при температуре 15 млн градусов Цельсия, но ему способствует колоссальная плотность вещества, обусловленная действием гравитации. Колоссальная масса светила делает его эффективным термоядерным реактором.

Создать такую плотность на Земле не представляется возможным. Нам остается лишь наращивать температуру. Чтобы изотопы водорода отдали землянам энергию своих ядер, необходима температура 150 млн градусов, то есть в десять раз выше, чем на Солнце.

Ни один твердый материал во Вселенной не может напрямую контактировать с такой температурой. Так что просто построить печку для приготовления гелия не получится. Решить проблему помогает та самая тороидальная камера с магнитными катушками, или токамак. Идея создания токамака осенила светлые головы ученых из разных стран в начале 1950-х, при этом первенство однозначно приписывается советскому физику Олегу Лаврентьеву и его именитым коллегам Андрею Сахарову и Игорю Тамму.

Вакуумная камера в форме тора (пустотелого «бублика») окружается сверхпроводящими электромагнитами, которые создают в ней тороидальное магнитное поле. Именно это поле удерживает раскаленную до десяти солнц плазму на некотором расстоянии от стенок камеры. Вместе с центральным электромагнитом (индуктором) токамак представляет собой трансформатор. Изменяя ток в индукторе, порождают течение тока в плазме — движение частиц, необходимое для синтеза.

Февраль 2012. Установлено 493 1,7-метровых колонны с сейсмоизолирующими подушками из резинометаллического сэндвича.

Токамак можно по праву считать образцом технологического изящества. Электрический ток, протекающий в плазме, создает полоидальное магнитное поле, опоясывающее плазменный шнур и поддерживающее его форму. Плазма существует при строго определенных условиях, и при их малейшем изменении реакция немедленно прекращается. В отличие от реактора АЭС, токамак не может «пойти вразнос» и неконтролируемо наращивать температуру.

В маловероятном случае разрушения токамака не происходит радиоактивного заражения. В отличие от АЭС, термоядерный реактор не производит радиоактивных отходов, а единственный продукт реакции синтеза — гелий — не является парниковым газом и полезен в хозяйстве. Наконец, токамак очень бережно расходует топливо: во время синтеза в вакуумной камере находится всего несколько сотен граммов вещества, а расчетный годовой запас горючего для промышленной электростанции составляет всего 250 кг.

Апрель 2014. Завершено строительство здания криостата, залиты стенки фундамента токамака 1,5-метровой толщины.

Достоинства термоядерной энергетики

Энтузиазм вокруг термоядерной энергии, наблюдавшийся в 60-е и 70-е годы, давно прошел. Теперь сами ученые нехотя признают, что в ближайшее десятилетие работающий термоядерный реактор мы, скорее всего, не увидим. Несмотря на это, попытки «зажечь» искусственное солнце не прекращаются. Выгоды, которые несет укрощение этой технологии, легко объясняют подобную настойчивость.

Колоссальная энергоэффективность

Чтобы понять, какие «пряники» может дать человечеству термоядерная энергия, нужно сравнить ее с обычным ископаемым горючим. Сжигание одного грамма угля дает 34 тыс. джоулей, газа или нефти — 44 тыс. джоулей, древесины — всего 7 тыс. джоулей. При слиянии ядер дейтерия и трития выделяется 17,6 мегаэлектронвольт энергии, что в пересчете на один грамм составляет 170 млрд джоулей тепла. Это количество равняется общемировому потреблению за 14 минут.

Еще один прототип термоядерной установки. Ученые пытаются получить плазму, пропустив через смесь дейтерия и тритий огромный по мощности электрический заряд

Термоядерный синтез – самый эффективный из известных на сегодня способов получения энергии, включая даже обычные ядерные реакторы. Из одного килограмма исходной смеси, в термоядерном реакторе можно получить в три раза больше энергии, чем в ядерном. В 86 г дейтерий-тритиевой смеси находится столько же энергии, как в 1 тыс. тонн высококачественного угля.

Запасы ископаемого топлива не бесконечны. В один «прекрасный» момент мы полностью исчерпаем месторождения угля, нефти и природного газа. Сырье для термоядерного синтеза можно получать буквально из воды. Теоретически управляемый синтез способен открыть человечеству новую эпоху практически бесплатной энергии, кардинально изменив мировую экономику и повседневную жизнь людей.

Безвредность

Сжигание нефти, угля и газа наносит серьезный вред окружающей среде и способствует изменениям климата. Долгое время их альтернативой считался «мирный атом», однако, атомные станции имеют очевидные недостатки. Во время работы они действительно практически не вредят экологии, но аварии на подобных объектах приводят к катастрофическим последствиям колоссальных масштабов. Чернобыль и Фукусима – наглядное тому подтверждение.

Масса топлива, необходимая для работы термоядерного реактора, измеряется граммами, а отходами «производства» являются безвредные вещества типа водорода или гелия. Да, для дейтерий-тритиевой реакции необходим радиоактивный тритий, но вес его будет мизерным.

Безопасность

Термоядерный реактор никогда не взорвется: процессы, проходящие в нем, не являются самоподдерживающимися. В самой его конструкции заложены механизмы, препятствующие распространению радиоактивных веществ. Например, камера, в которой происходит реакция, должна быть герметичной, иначе система просто не будет работать.

Российский лазерный термоядерный реактор, установленный в Сарове

Управляемый синтез не может быть источником материалов для производства оружия массового поражения. Хотя это и кажется не особенно важным, но данный фактор сыграл серьезную роль в развитии и распространении ядерной энергетики. Кто не верит, может спросить у Ирана и Северной Кореи. Невозможность военного использования и отсутствие радиоактивных материалов уменьшает уязвимость термоядерных реакторов для террористической угрозы.

Почему так сложно?

Энергия термоядерного синтеза считается потенциальным источником энергии будущего. Это чистая энергия атома. Но что же она собой представляет и почему ее так сложно добиться? Для начала следует разобраться с различием между классическим делением ядра и термоядерным синтезом.

Деление атома состоит в том, что радиоактивные изотопы – уран или плутоний – расщепляются и превращаются в другие высокорадиоактивные изотопы, которые затем должны быть захоронены или переработаны.

Реакция термоядерного синтеза заключается в том, что два изотопа водорода – дейтерий и тритий – сливаются в единое целое, образуя неядовитый гелий и единственный нейтрон, не производя радиоактивных отходов.

Открытие атомной энергии

Отто Хан

В 1938 году немецкие физики Отто Хан и Фриц Штрассман бомбардировали атом урана нейтронами в попытке образовать тяжелые элементы. Но ядро урана распалось на более лёгкие элементы барий и криптон, что значительно меньше, чем уран. Ученые озадачились неожиданными результатами так как открыли расщепление ядра.

Австрийский физик Лиза Мейтнер, бежавшая в Швецию после вторжения Гитлера в ее страну, поняла, что расщепление ядра также освобождает энергию. Работая над этой проблемой, она установила, что деление дает минимум два нейтрона. В конечном счете, другие физики поняли, что каждый вновь освобожденный нейтрон может продолжать вызывать две отдельные реакции, каждая из которых может вызвать по крайней мере еще. Один удар может запустить цепную реакцию, управляя выпуском еще большей энергии.

Ядерные силы и реакции.

Энерговыделение при ядерном синтезе обусловлено действующими внутри ядра чрезвычайно интенсивными силами притяжения; эти силы удерживают вместе входящие в состав ядра протоны и нейтроны. Они очень интенсивны на расстояниях ~10–13 см и чрезвычайно быстро ослабевают с увеличением расстояния. Помимо этих сил, положительно заряженные протоны создают электростатические силы отталкивания. Радиус действия электростатических сил гораздо больше, чем у ядерных, поэтому они начинают преобладать, когда ядра удалены друг от друга.

В нормальных условиях кинетическая энергия ядер легких атомов слишком мала для того, чтобы, преодолев электростатическое отталкивание, они могли сблизиться и вступить в ядерную реакцию. Однако отталкивание можно преодолеть «грубой» силой, например сталкивая ядра, обладающие высокой относительной скоростью. Дж.Кокрофт и Э.Уолтон использовали этот принцип в своих экспериментах, проводившихся в 1932 в Кавендишской лаборатории (Кембридж, Великобритания). Облучая литиевую мишень ускоренными в электрическом поле протонами, они наблюдали взаимодействие протонов с ядрами лития Li. С тех пор изучено большое число подобных реакций. Реакции с участием наиболее легких ядер – протона (p), дейтрона (d) и тритона (t), соответствующих изотопам водорода протию 1H, дейтерию 2H и тритию 3H, – а также «легкого» изотопа гелия 3He и двух изотопов лития 6Li и 7Li представлены в приведенной ниже таблице. Здесь n – нейтрон, g – гамма-квант. Энергия, выделяющаяся в каждой реакции, дана в миллионах электрон-вольт (МэВ). При кинетической энергии 1 МэВ скорость протона составляет 14 500 км/с. См. также АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ.

Как показал Г.Гамов, вероятность реакции между двумя сближающимися легкими ядрами пропорциональна , где e – основание натуральных логарифмов, Z₁ и Z₂ – числа протонов во взаимодействующих ядрах, W – энергия их относительного сближения, а K – постоянный множитель. Энергия, необходимая для осуществления реакции, зависит от числа протонов в каждом ядре. Если оно больше трех, то эта энергия слишком велика и реакция практически неосуществима. Таким образом, с возрастанием Z₁ и Z₂ вероятность реакции уменьшается.

Вероятность того, что два ядра вступят во взаимодействие, характеризуется «сечением реакции», измеряемом в барнах (1 б = 10–24 см2 ). Сечение реакции – это площадь эффективного поперечного сечения ядра, в которое должно «попасть» другое ядро, чтобы произошло их взаимодействие. Сечение реакции дейтерия с тритием достигает максимальной величины (~5 б), когда взаимодействующие частицы имеют энергию относительного сближения порядка 200 кэВ. При энергии 20 кэВ сечение становится меньше 0,1 б.

Из миллиона попадающих на мишень ускоренных частиц не более одной вступает в ядерное взаимодействие. Остальные рассеивают свою энергию на электронах атомов мишени и замедляются до скоростей, при которых реакция становится невозможной. Следовательно, способ бомбардировки твердой мишени ускоренными ядрами (как это было в эксперименте Кокрофта – Уолтона) для УТС непригоден, так как получаемая при этом энергия намного меньше затраченной.

Инерциальное удержание.

Теоретические расчеты показывают, что термоядерный синтез возможен и без применения магнитных ловушек. Для этого осуществляется быстрое сжатие специально приготовленной мишени (шарика из дейтерия радиусом ок. 1 мм) до столь высоких плотностей, что термоядерная реакция успевает завершиться прежде, чем произойдет испарение топливной мишени. Сжатие и нагрев до термоядерных температур можно производить сверхмощными лазерными импульсами, со всех сторон равномерно и одновременно облучающими топливный шарик (рис. 4). При мгновенном испарении его поверхностных слоев вылетающие частицы приобретают очень высокие скорости, и шарик оказывается под действием больших сжимающих сил. Они аналогичны движущим ракету реактивным силам, с той лишь разницей, что здесь эти силы направлены внутрь, к центру мишени. Этим методом можно создать давления порядка 1011 МПа и плотности, в 10 000 раз превышающие плотность воды. При такой плотности почти вся термоядерная энергия высвободится в виде небольшого взрыва за время ~10–12 с. Происходящие микровзрывы, каждый из которых эквивалентен 1–2 кг тротила, не вызовут повреждения реактора, а осуществление последовательности таких микровзрывов через короткие промежутки времени позволило бы реализовать практически непрерывное получение полезной энергии

Для инерциального удержания очень важно устройство топливной мишени. Мишень в виде концентрических сфер из тяжелого и легкого материалов позволит добиться максимально эффективного испарения частиц и, следовательно, наибольшего сжатия

Расчеты показывают, что при энергии лазерного излучения порядка мегаджоуля (106 Дж) и кпд лазера не менее 10% производимая термоядерная энергия должна превышать энергию, израсходованную на накачку лазера. Термоядерные лазерные установки имеются в исследовательских лабораториях России, США, Западной Европы и Японии. В настоящее время изучается возможность использования вместо лазерного луча пучка тяжелых ионов или сочетания такого пучка со световым лучом. Благодаря современной технике такой способ инициирования реакции имеет преимущество перед лазерным, поскольку позволяет получить больше полезной энергии. Недостаток заключается в трудности фокусировки пучка на мишени.

Токамак.

Важным параметром, от которого зависит удержание тороидальной плазмы, является «запас устойчивости» q, равный rB_j/RB_q, где r и R – соответственно малый и большой радиусы тороидальной плазмы. При малом q может развиваться винтовая неустойчивость – аналог неустойчивости изгиба прямого пинча. Ученые в Москве экспериментально показали, что при q > 1 (т.е. B_jB_q) возможность возникновения винтовой неустойчивости сильно уменьшается. Это позволяет эффективно использовать выделяемое током тепло для нагревания плазмы. В результате многолетних исследований характеристики токамаков существенно улучшились, в частности за счет повышения однородности поля и эффективной очистки вакуумной камеры.

Полученные в России обнадеживающие результаты стимулировали создание токамаков во многих лабораториях мира, а их конфигурация стала предметом интенсивного исследования.

Омический нагрев плазмы в токамаке недостаточен для осуществления реакции термоядерного синтеза. Это связано с тем, что при нагреве плазмы сильно уменьшается ее электрическое сопротивление, и в результате резко снижается выделение тепла при прохождении тока. Увеличивать ток в токамаке выше некоторого предела нельзя, поскольку плазменный шнур может потерять устойчивость и переброситься на стенки камеры. Поэтому для нагрева плазмы используют различные дополнительные методы. Наиболее эффективные из них – инжекция пучков нейтральных атомов с высокой энергией и микроволновое облучение. В первом случае ускоренные до энергий 50–200 кэВ ионы нейтрализуются (чтобы избежать «отражения» их назад магнитным полем при введении в камеру) и инжектируются в плазму. Здесь они снова ионизуются и в процессе столкновений отдают плазме свою энергию. Во втором случае используется микроволновое излучение, частота которого равна ионной циклотронной частоте (частота вращения ионов в магнитном поле). На этой частоте плотная плазма ведет себя как абсолютно черное тело, т.е. полностью поглощает падающую энергию. На токамаке JET стран Европейского союза методом инжекции нейтральных частиц была получена плазма с ионной температурой 280 млн. кельвинов и временем удержания 0,85 с. На дейтериево-тритиевой плазме получена термоядерная мощность, достигающая 2 МВт. Длительность поддержания реакции ограничивается появлением примесей вследствие распыления стенок камеры: примеси проникают в плазму и, ионизуясь, существенно увеличивают энергетические потери за счет излучения. Сейчас работы по программе JET сосредоточены на исследованиях возможности контроля примесей и их удаления т.н. «магнитным дивертором».

Большие токамаки созданы также в США – TFTR, в России – T15 и в Японии – JT60. Исследования, выполненные на этих и других установках, заложили основу для дальнейшего этапа работ в области управляемого термоядерного синтеза: на 2010 намечается запуск большого реактора для технических испытаний. Предполагается, что это будет совместная работа США, России, стран Европейского союза и Японии. См. также ТОКАМАК.

Отстранение Филимоненко от работы

Возможно, что спустя какое-то время изобретение Ивана Филимоненко производилось бы в промышленных масштабах, а человечество избавилось бы от многих проблем. Однако судьба в лице некоторых людей распорядилась иным образом. Его коллеги Курчатов и Королев скончались, а маршал Жуков ушел в отставку. Это и послужило началом так называемой подковерной игры в научных кругах. Результатом стала остановка всех работ Филимоненко, а в 1967 году произошло и его увольнение. Дополнительная причина такого обращения с заслуженным ученым стала и его борьба за прекращение испытаний ядерного оружия. Своими работами он постоянно доказывал наносимый вред и природе, и непосредственно людям, с его подачи были остановлены многие проекты по запуску в космос ракет с ядерными реакторами (любая авария на такой ракете, происшедшая на орбите, могла грозить радиоактивным заражением всей Земли). Учитывая гонку вооружений, набирающую в то время обороты, академик Филимоненко стал неугодным некоторым высоким лицам. Его экспериментальные установки признаются противоречащими законам природы, самого ученого увольняют, исключают из коммунистической партии, лишают всех званий и вообще объявляют психически ненормальным человеком.

Уже в конце восьмидесятых — начале девяностых работы академика возобновляются, разрабатываются новые экспериментальные установки, однако все они до положительного результата доведены не были. Иваном Филимоненко была предложена идея использования его передвижной установки с целью ликвидации последствий в Чернобыле, но она была отвергнута. В период с 1968 по 1989 годы Филимоненко был отстранен от каких-либо испытаний и работ в направлении холодного термояда, а сами разработки, схемы и чертежи вместе с некоторыми советскими научными сотрудниками попали за рубеж.

В начале 90-х годов Соединенные Штаты заявили об успешных испытаниях, при которых ими якобы была получена ядерная энергия в результате холодного термояда. Это послужило толчком к тому, что о легендарном советском ученом вновь вспомнило его государство. Он был восстановлен в должности, но и это не помогло. К тому времени начался распад СССР, финансирование было ограниченным, соответственно, и результатов не было. Как рассказал позже Иван Степанович в интервью, видя непрекращающиеся и вместе с тем неудачные попытки многих ученых со всего мира получить положительные результаты холодного ядерного синтеза, он понял, что без него никто не сможет довести дело до конца. И, действительно, он говорил правду. С 1991 по 1993 год американские ученые, заполучившие установку Филимоненко, так и не смогли понять принцип ее действия, а еще спустя год и вовсе демонтировали ее. В 1996 году влиятельные люди из Соединенных Штатов предлагали Ивану Степановичу сто миллионов долларов только за то, чтобы он предоставил им консультации, разъяснив, как работает реактор холодного ядерного синтеза, на что тот ответил отказом.

Почему до сих пор не получилось

Существует так называемый критерий Лоусона, позволяющий оценить, возможен ли синтез в определенном реакторе с использованием того или иного топлива. Чтобы запустить реакцию, необходимо обеспечить оптимальную плотность плазмы, разогреть ее до достаточно высоких температур, максимально уменьшив при этом потери энергии. Например, в дейтерий-тритиевой плазме при температуре в 110 млн градусов, произведение числа частиц в кубическом сантиметре на время их удержания (в секундах) должно быть не менее 1014.

Схема устройства токамака

Однако плазма – весьма беспокойная субстанция. Она не любит, когда ее удерживают, и постоянно стремится выйти из-под контроля. С этой проблемой физики столкнулись еще в 60-е годы. Чтобы хотя бы частично решить ее, потребовалось значительно усложнить конструкцию реактора.

Второй серьезной проблемой является потеря энергии. Плазма, как и любое другое нагретое тело, начинает излучать в электромагнитном диапазоне, стремительно при этом остывая. Чтобы поддерживать температуру на довольно высоком уровне, приходится постоянно вкачивать огромное количество энергии.

Кроме глобальных физических, перед инженерами встало множество чисто прикладных вопросов. В результате идея управляемого синтеза, которая в моделях выглядела многообещающе, оказалась очень сложной для реализации. Например, в серьезную проблему превратилась обычная пыль. Она проникает в вакуумные камеры реакторов и поглощает заметную часть ядерного топлива.

Состояние системы, при котором в ходе реакции синтеза выделяется столько же энергии, сколько затрачено на ее запуск и поддержку, обозначается литерой Q. Для самоподдерживающей реакции без внешнего подогрева коэффициент должен быть равен 5, и этот показатель до сих пор не достигнут. Для получения стабильной плазмы, пригодной для коммерческих установок, нужны гораздо  большие значения. Например, на ITER планируют достигнуть Q ~ 30.

Справедливости ради следует отметить, что огромные средства, выделяемые физикам на протяжении десятилетий, потрачены не впустую. Параметры современных реакторов всего лишь в несколько раз хуже необходимых для достижения устойчивой термоядерной реакции. Несколько десятилетий назад отставание было на порядки.

Другие эксперименты

США, 2002

8 марта 2002 года в солидном международном научном журнале «Сайенс» появилось сообщение о наблюдении «явлений, не противоречащих возможности» ХЯС. Русско-американская группа исследователей под руководством Руси Талеярхана в эксперименте с ультразвуковой кавитацией ацетона, в котором простой водород замещён дейтерием, наблюдала замену дейтерия тритием и излучение нейтронов во время сонолюминесценции. При этом установка не выделяла дополнительную энергию. Сразу же после публикации физик Нэт Фиш (англ. Nat Fisch, занимается Физикой Плазмы в Принстонском университете) высказался: «То, что я видел, производит впечатление безграмотного и неряшливого отчёта».

Два других сотрудника Окриджской лаборатории повторили эксперимент на той же аппаратуре с другим детектором и не обнаружили поток нейтронов, который наблюдал Талеярхан.

Кроме того, критики указывают, что температура и энергия в центре схлопывающихся пузырьков на три порядка ниже, чем нужно для слияния ядер дейтерия.

Япония, 2008

В 2008 году отставной японский учёный Ёсиаки Арата (d; англ., яп.) из Осакского университета совместно с китайским коллегой Юэчан Чжан из Шанхайского университета сообщили о выделении энергии в эксперименте с палладием, оксидом циркония и дейтерием под высоким давлением, и заявили, что они наблюдали реакцию холодного ядерного синтеза с выделением гелия. Авторы не сообщили никаких данных о деталях своих опытов, в том числе не предоставили для анализа методику измерений. Арата ещё в 2004 г. запатентовал свою установку в Японии и в 2006 г. — в США

Генератор Росси

Основная статья: Катализатор энергии Росси

В январе 2011 года Андреа Росси (d; англ.) (Болонья, Италия), как он сам утверждает, испытал опытную установку «Катализатор энергии Росси» по превращению никеля в медь при участии водорода, а 28 октября 2011 года им была продемонстрирована для журналистов известных СМИ и заказчика из США промышленная установка на 1 МВт. История вызвала всплеск интереса СМИ.

По одному из заявлений Росси в январе 2011 года, он имеет чёткое понимание о задействованном механизме, но отказывается публично его раскрывать, пока не будет получен патент.

Профессор Уго Барди (Ugo Bardi) из Флорентийского университета, отмечая противоречивые заявления Росси о наличии/отсутствии гамма-излучения, размещении производства (то во Флориде, то не в США), а также то, что часть сторонников и спонсоров уже вышла из проекта, в марте 2012 года высказался о нём:

В 2014 году группа профессора физики Болонского университета Джузеппе Леви исследовала параметры процесса. Дж. Леви сообщил, что устройство, в котором один грамм топлива нагревали до температуры около 1400ºС с помощью электричества, производило аномальное количество тепла.

Международные конференции по ХЯС

Конференции International Conference on Cold Fusion (англ.) (ICCF) проводятся с 1990 года в США, Японии и России.
С 2007 используют название «International Conference on Condensed Matter Nuclear Science».
Ранние мероприятия часто критиковались за привлечение псевдоучёных.

1. ICCF-1 Солт-Лейк-Сити, США 1990
2. ICCF-2 Комо, Япония 1991
3. ICCF-3 Нагоя, Япония 1992
4. ICCF-4 Гавайи, США 1993
5. ICCF-5 Монте Карло, Монако 1995
6. ICCF-6 Саппоро, Япония 1996
7. ICCF-7 Ванкувер, Канада 1998
8. ICCF-8 Леричи, Италия 2000
9. ICCF-9 Пекин, КНР 2002
10. ICCF-10 Кембридж, США 2003
11. ICCF-11 Марсель, Франция 2004
12. ICCF-12 Иокогама, Япония 2005
13. ICCF-13 Дагомыс, Россия 2007
14. ICCF-14 Вашингтон, США 2008
15. ICCF-15 Рим, Италия 2009
16. ICCF-16 Ченнай, Индия 2011
17. ICCF-17 Тэджон, Южная Корея 2012
18. ICCF-17 2012 KAIST ** Daejeon, South Korea Sunwon Park, Frank Gordon
19. ICCF-18 2013 University of Missouri ** Columbia, Missouri, U.S. Robert Duncan, Yeong Kim
20. ICCF-19 2015 TSEM ** Padua, Italy Antonio La Gatta, Michael McKubre, Vittorio Violante
21. ICCF-20 2016 Tohoku University ** Sendai, Miyagi, Japan Jiro Kasagi, Yasuhiro Iwamura
22. ICCF-21 2018 LENRIA ** Fort Collins, CO, U.S. Steven Katinsky, David Nagel