Найвідомішим природним «термоядерним реактором» можна вважати Сонце, всередині якого відбувається синтез — ядра водню об’єднуються, вивільняючи величезну кількість енергії. Над тим, щоб відтворити цей процес на Землі та отримати чисте та невичерпне джерело енергії, працюють передові центри науки в усьому світі. Про досягнення закордонних і українських учених у галузі фізики плазми й керованого термоядерного синтезу та про те, як вони наближають створення термоядерної енергетики, на засіданні Президії Національної академії наук України розповів завідувач відділу теорії ядерного синтезу Інституту ядерних досліджень НАНУ доктор фізико-математичних наук Ярослав КОЛЕСНИЧЕНКО.
Термоядерна енергетика матиме вагомі переваги перед атомною. Як зауважив Ярослав Колесниченко, в термоядерному реакторі принципово неможливий ядерний вибух. Окрім того, «попіл» є екологічно чистим продуктом, тобто не буде проблем з радіоактивними відходами, а нейтрони, що утворюються внаслідок термоядерної реакції, можуть бути використані для вироблення пального для атомних реакторів.
Досягнення у КТС
Як нагадав доповідач, перші експерименти з реальним термоядерним пальним, тобто дейтерій-тритієвою сумішшю, були здійснені наприкінці минулого століття — на токамаках TFTR у США у 1994 році й JET у Великій Британії (1997). TFTR мав в імпульсі термоядерну потужність у 10,7 МВт, a JET — 16 МВт.
— Тобто реальна термоядерна потужність уже виділялась, проте відношення виділеної енергії до енергії, яка була витрачена на нагрівання плазми (так званий параметр Q), було все-таки менше, ніж одиниця, — розповів Ярослав Колесниченко. — Окрім того, цих рекордних параметрів було досягнуто протягом приблизно секунди, а треба було набагато довше.
Експерименти на JET продовжились, вдалося поліпшити параметри шляхом оптимізації складу дейтерію з тритієм. А в грудні 2021 року енергія, вироблена внаслідок реакції за один розряд тривалістю шість секунд, склала 59 MДж.
Але, як зауважив доповідач, це все ж таки не те, що потрібно термоядерній енергетиці: по-перше — енергетичний виграш (Q) має бути більше ніж 10, а краще більш як 15 — для того, щоб термоядерний реактор можна було використовувати в промислових цілях, по-друге — необхідна економічна прийнятність, енергія не може бути дуже дорогою.
Що для цього потрібно? За словами доповідача, потрібна температура плазми близько 100–200 мільйонів градусів. Окрім того, час утримання енергії плазми повинен бути достатньо великим, щоб вона повільно охолоджувалась. Дуже важливий параметр — потрійний добуток густини плазми, температури й часу утримання енергії. Він є мірилом близькості плазми до такої, яка має бути у промисловому термоядерному реакторі.
Ще один параметр — відношення тиску плазми до тиску магнітного поля. Як пояснив Ярослав Колесниченко, він повинен бути більше ніж п’ять відсотків, бо інакше термоядерна енергія буде дуже дорогою.
Потрібні параметри намагаються отримати на токамаках, стелараторах і компактних сферичних токамаках. Щодо перших, то наприкінці 2023 року отримано першу плазму на найбільшому токамаку JT60-SA (Японія). На завершальній стадії — спорудження міжнародного реактора-токамака ITER у Франції (його об’єм у 10 разів перевищує JET). Порівняно невеликий токамак SPARC, що нині будується у США, матиме ті самі параметри, що й ITER. Планується, що у 2027 році на ньому отримають енергетичний виграш понад одиницю.
Найбільший оптимізований стеларатор, що є сьогодні, — це Wendelstein 7-X у Німеччині. На ньому досягнуто рекордного для стелараторів потрійного добутку густини плазми, її температури й часу утримання.
Менш відомий, але цікавий напрям — компактні сферичні токамаки. Як пояснив Ярослав Колесниченко, їхня перевага — підвищений параметр відношення тиску плазми до тиску магнітного поля. У цьому контексті доповідач згадав про ST40 — компактний токамак, який був побудований приватною британською компанією Tokamak Energy. На ньому отримано реакторну температуру іонів 10 кеВ (100 мільйонів градусів Цельсія) — це саме те, що потрібно для енергетичного термоядерного реактора.
Як розповів Ярослав Колесниченко, значну увагу сферичним токамакам було приділено на нещодавній конференції з енергійних частинок у системах з магнітним утриманням плазми у березні 2025 року в Севільї (Іспанія).
Синергія експерименту і теорії
Ярослав Колесниченко навів приклади, які демонструють позитивний ефект і взаємозв’язок теорії з експериментом у керованому термоядерному синтезі, зокрема розповівши про результати, які було отримано завдяки теоретичним дослідженням в Інституті ядерних досліджень НАНУ та експериментам у США, Німеччині, Великій Британії у період від другої половини XX століття до наших днів.
А розпочав доповідач з такого явища як альфвенівські нестійкості плазми. Альфвенівські хвилі було відкрито ще на початку 40-х років минулого століття, а термоядерні дослідження виявили їхні принципово нові властивості. Окрім того, з’ясувалося, що їх збудження може впливати на утримання плазми.
— Альфвенівські хвилі можуть збуджуватися енергійними (тобто надтепловими) йонами, що утворюються під час нагрівання плазми пучками частинок та високочастотними полями, а також внаслідок термоядерної реакції, — розповів Ярослав Колесниченко. — Такі нестійкості в різних формах спостерігаються у всіх типах тероїдальних термоядерних пристроїв.
Цікаво, що перша теоретична робота з передбаченням збудження альфвенівських хвиль надтепловими йонами була викладена ще у 1968 році в «Журналі експериментальної й теоретичної фізики» (найбільш впливовому в СРСР) колективом авторів, до якого входив і Ярослав Колесниченко.
Перше експериментальне спостереження альфвенівських нестійкостей було здійснено на токамаку TFTR у 1991 році. Різноманітні альфвенівські нестійкості виникали під час нагрівання інжекцією нейтральних полів у стелараторі Wendelstein 7-AS. Як розповів Ярослав Колесниченко, експериментальні дослідження підтвердили розрахунки теоретичної групи, до складу якої входили науковці ІЯД.
— У 2001 році під час експерименту з’ясувалось, що спалахи нестійкості призводили до значних втрат температури плазми (до 30 %) Цей ефект не мав пояснення, — зауважив доповідач. — А у 2005 році, знову-таки, завдяки зусиллям колективу тих самих авторів цей ефект було пояснено теоретично — працю опубліковано у Physical Review Letters.
Ще одне явище — просторове каналювання енергії й імпульсу — було теоретично обґрунтовано науковцями Інституту ядерних досліджень після експерименту на сферичному токамаку NSTX у Принстоні (США).
Щодо такого явища, як йонна циклотронна емісія, то, за словами Ярослава Колесниченка, найбільш яскравий експеримент було свого часу виконано на токамаку JET. «Коли дейтерієвий струмінь замінили на тритієвий, інтенсивність такої емісії зросла пропорційно збільшенню потоку нейтронів, — пояснив доповідач. — Отже, альфа-частинки (продукти DT-реакції з енергією 3,5 МеВ) призводили до йонної циклотронної емісії. З іншого боку, залишалося питання — чому йонна циклотронна емісія існує за відсутності швидких йонів.
За словами Ярослава Колесниченка, два роки тому почались експерименти на сферичному MAST-U — досліджуються ефекти виникнення йонної циклотронної емісії без швидких йонів.
Завдяки співпраці з американськими фізиками науковці ІЯД запропонували механізм виникнення такої емісії. А нещодавно провідний науковий співробітник відділу теорії ядерного синтезу ІЯД Вадим Луценко доповідав результати на конференції в Іспанії.
Зберегти науковий потенціал
Після приєднання України зі статусом асоційованого члена до програми «Євратом», з 2017 року Україна бере участь у програмі консорціуму EUROfusion. Як зауважив Ярослав Колесниченко, це відкрило нові можливості для співпраці у сфері керованого термоядерного синтезу. Проте є проблема — згідно з правилами EUROfusion, відрядження співробітників інституту до термоядерних центрів здійснюється за кошти цього інституту. Лише згодом установа отримує відшкодування витрат на відрядження, тому співробітники їздили своїм коштом.
Ярослав Колесниченко констатував, що через значні затримки з відшкодуванням витрат на поїздки участь ІЯД у програмі EUROfusion значно послабилася. Як наголосив доповідач, виправити ситуацію може створення фонду для фінансування відряджень за програмою.
Важливу роль сьогодні відіграє співпраця зі США. Ярослав Колесниченко нагадав, що з 2022 року діє угода між Університетом Каліфорнії (Ірвайн, США), Українським науково-технологічним центром та ІЯД про виконання проєкту Fast-ion theory for tight aspect-ratio plasmas («Швидкі йони в компактних плазмах») за фінансування Департаменту енергетики США.
Серед пропозицій, які висловив Ярослав Колесниченко — вивчити досвід Великої Британії та інших країн із залучення приватного капіталу для посилення робіт з керованого термоядерного синтезу, а також — розглянути можливість спорудження в Україні компактного (сферичного) токамака, що може дати шанс вийти на світовий рівень в експериментах.
Кричуща проблема — брак молодих кадрів. Про це йшлося у виступах і Ярослава Колесниченка, і професора ННІ «Фізико-технічний факультет» Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна, члена-кореспондента НАНУ Ігоря Гірки.
«Державна політика щодо природничої освіти на рівнях як середньої, так і вищої школи вже давно призвела до катастрофічних наслідків у галузі підготовки кадрів інженерно-фізичних спеціальностей в цілому та з фізики плазми зокрема, — наголосив професор Гірка. — Потрібні термінові заходи, щоб зберегти науковий потенціал».
Президент НАНУ академік Анатолій Загородній висловив пропозицію підготувати й обговорити на Президії звернення до уряду і Верховної Ради про ситуацію, яка склалася з підготовкою інженерних кадрів і кадрів фізико-технічного профілю, і в такий спосіб спробувати зрушити її з місця.
Технології й сценарії для провідних центрів
Продовжуючи тему участі України в програмі «Євратом», заступник генерального директора ННЦ «ХФТІ» академік НАНУ Ігор Гаркуша нагадав, що НАН України має статус власника програми, тобто головного виконавця з боку нашої країни, а ННЦ «ХФТІ» є менеджером програми EUROfusion. Загалом, як розповів академік Гаркуша, український дослідницький юніт об’єднує сім наукових установ та університетів України.
Зокрема, це ННЦ «ХФТІ», що є бенефіціаром і координатором досліджень, Інститут ядерних досліджень й Інститут теоретичної фізики імені Боголюбова НАНУ, Харківський національний університет імені Каразіна, Львівська політехніка, Київський національний університет імені Тараса Шевченка та Український науково-технологічний центр.
Щодо експериментальної складової, то, як відомо, у ХФТІ працюють термоядерні експериментальні установки стелараторного типу, а також стаціонарні плазмові прискорювачі, які віднесено до переліку найбільш важливих установок у програмі «Євратом».
Хоча пошкодження в результаті російських обстрілів у Харкові, як констатував доповідач, є дуже суттєвими й впливають на експериментальну діяльність, зокрема і в ХФТІ, але навіть у таких умовах науковці роблять, здавалося б, неможливе.
— Влітку 2024 року ми успішно провели літню експериментальну кампанію на стелараторах, — розповів академік Гаркуша. — Зараз розпочато літню кампанію 2025 року, й акцент у ній — на відпрацюванні технологій і сценаріїв для провідних стелараторів: німецького Wendelstein-7X, японського LHD. Звісно, ми можемо це зробити дешевше і швидше, бо в нас компактні установки, а потім все це застосовується на дорожчих машинах.
З участю дослідників Національного наукового центру «Харківський фізико-технічний інститут» на стелараторі LHD успішно продемонстровано можливість створення плазми за допомогою іонного циклотронного резонансу в рамках сценарію малої домішки, розробленого на харківській установці «Ураган-2М». За словами Ігоря Гаркуші, це відкриває можливості для реалізації нових режимів роботи на найбільшому стелараторі Wendelstein-7X.
Від експериментів до приватних стартапів
Від перших експериментів, коли плазма утримувалась частки секунди, до останніх, коли на окремих установках це триває до 20 хвилин, людство пройшло великий шлях і досягнуло колосального прогресу. На цьому акцентував заступник директора з наукової роботи Інституту теоретичної фізики ім.
М.М. Боголюбова Володимир Засенко, зауваживши, що зараз на порядку денному у багатьох країн вже стоїть створення промислових електростанцій, які працювали б за принципом термоядерного синтезу.
— У квітні 2025 року у Великій Британії відбувся так званий Fusion Fest, який зібрав не тільки науковців, а й представників державних інституцій, — розповів Володимир Засенко. — Розглядались практичні кроки щодо будівництва промислових термоядерних реакторів, є прагнення прописати дорожню карту. Європейці хочуть зробити так, щоб «жодного гвинтика» не було вироблено поза Європою. Звичайно, такі масштабні проєкти вимагають величезних коштів і здебільшого реалізуються міжнародними консорціумами.
Після того, як у 2022 році було досягнуто порогу беззбитковості — енергія, що виділилась у результаті реакції, перевищила енергію, необхідну для її ініціювання та підтримки — одразу з’явились десятки приватних стартапів.
Підтримати дослідження
Як констатував у завершальному слові Анатолій Загородній, в Україні поки все ще зберігається науковий потенціал, і наші вчені беруть активну участь у міжнародній співпраці, зокрема в створенні концептуального реактора Helias reactor HSR4/18 та дослідженнях на японському стелараторі LHD і німецькому — Wendelstein-7X. «Дуже добре, тобто Європа нас бачить, ми помітні на європейській мапі термоядерних досліджень», — додав президент НАНУ.
Нагадав він і про те, що участь у програмі EUROfusion здійснюється на умовах паритетного співфінансування — європейська програма дає стільки коштів, скільки Україна витрачає сама, а оскільки Україна витрачає дуже скромно, то відповідно скоротилася і європейська частка.
Також президент НАН нагадав про академічну програму з керованого термоядерного синтезу і фізики плазми, яка реалізовувалась в академії, — вона не була дуже великою, але була важливою, бо науковці відчували підтримку з боку академії. На жаль, як констатував Анатолій Загородній, з початком повномасштабної війни цю програму довелося перевести в «режим очікування». Але навіть у таких умовах треба підтримати такі дослідження. Тож у рішенні Президії Відділенню ядерної фізики та енергетики НАН України в межах відомчої, програмно-цільової та державної тематики НАН України на 2025-й і наступні роки доручено передбачити подальший розвиток робіт з керованого термоядерного синтезу та фізики плазми.
Але головне, як вже йшлося вище, — не втратити науковий потенціал. У рішенні Президії установам НАН доручено розробити й подати до Відділення ядерної фізики та енергетики НАН України пропозиції щодо заходів, спрямованих на розв’язання проблеми підготовки кадрів з фізики термоядерної плазми на базі Інституту ядерних досліджень НАН України, Національного наукового центру «Харківський фізико-технічний інститут» та інших установ НАНУ, а також провідних закладів вищої освіти.
Підготував Дмитро ШУЛІКІН.
Фото автора