В ходе эксперимента по термоядерному синтезу в известной всем специалистам Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (штат Калифорния, США) ученым удалось получить 1,3 мегаджоуля энергии. Этот результат эквивалентен кинетической энергии седана представительского класса, движущегося по шоссе со скоростью свыше 150 километров в час. Примечательно, что такая энергия была получена из миниатюрного образца топлива, диаметр которого сравним с диаметром человеческого волоса. Полученный результат в восемь раз превышает аналогичный показатель, достигнутый полгода назад. Многие специалисты считают этот успех прорывом в области термоядерного синтеза, который приближает человечество к воспроизведению процессов, происходящих на Солнце, и обеспечению практически неисчерпаемой чистой энергией на многие тысячелетия.
Термоядерный синтез – это реакция, обратная ядерному делению, используемому в современных атомных электростанциях. На протяжении семи десятилетий управляемый термоядерный синтез оставался недостижимой целью для физиков всего мира. В отличие от ядерного деления, термоядерная энергия не сопровождается выбросом CO₂ или образованием радиоактивных отходов, требующих строительства дорогостоящих хранилищ.
Всё, что нужно для её получения, – два изотопа водорода: дейтерий и тритий, причём потенциальный источник энергии будет занимать в сотни раз меньше места, чем любая солнечная или ветровая электростанция.
В самом общем виде суть реакции управляемого термоядерного синтеза в следующем: дейтерий и тритий (атомы водорода с двумя и тремя нейтронами в ядре) искусственно сталкиваются на огромной скорости, сближаясь до расстояния одного атомного ядра и образуя новое, более тяжёлое ядро. В результате с атомов слетает электронная оболочка, газ дейтерия и трития переходит в состояние плазмы. При этом высвобождается огромное количество энергии.
Сейчас освоено два способа «сталкивания» атомов: их разгон в торообразных реакторах при помощи магнитного поля (Термоядерный синтез с магнитным удержанием) и разогрев сверхмощными лазерными пучками крошечных мишеней, содержащих дейтерий и тритий (Инерционный термоядерный синтез). До сих пор ни тем ни другим способом не удалось решить одну из ключевых проблем – количество энергии, затраченной на удержание плазмы в стабильном состоянии, всегда оставалось несопоставимо больше энергии, полученной в результате реакции. Термоядерный синтез на Солнце возможен благодаря огромной гравитации, удерживающей плазму, в земных же условиях для этого нужны магнитные поля или лазеры невероятной мощности.
Впрочем, в последнее время дело, кажется, начало сдвигаться с мёртвой точки. Ровно год назад учёные Массачусетского технологического института и стартапа Commonwealth Fusion Systems заявили, что разработанный ими и строящийся в Массачусетсе термоядерный реактор SPARC позволит удерживать плазму и получать из неё больше энергии, чем затрачено на удержание. Параллельно учёные решают и другие практические задачи на пути к эффективному термоядерному синтезу. Нынешним летом Управление по атомной энергии Великобритании (UKAEA) анонсировало десятикратное снижение нагрева материалов в ключевых компонентах термоядерной установки. В погоне за мечтой о фактически безграничной и безотходной энергии находятся и несколько крупных частных компаний. По данным BloombergNEF, сумма инвестиций, привлечённых «термоядерными частниками» в Северной Америке и Европе в прошлом году, составила $300 млн.
Стрельба из лазера по мишеням
Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, основанной в разгар холодной войны в качестве одного из двух главных американских центров по разработке ядерного оружия, долго не удавалось ничего предъявить Конгрессу и общественности в части мирных разработок. В 2009 году здесь построили Национальный комплекс зажигания (National Ignition Facility – NIF) – огромную установку из 192 лазеров мощностью 500 ТВт, – как раз для получения термоядерной энергии инерционным методом. За девять лет NIF, на который было потрачено $4 млрд, ни разу не выдал вразумительного результата и совсем недавно был на грани закрытия. Лишь в 2018 году учёным удалось получить от термоядерной реакции 3,6% от входной энергии лазера, что уже считалось неплохим результатом. Но настоящий прорыв произошёл в августе 2021 года, когда энергетическая отдача составила небывалые 70% или 1,3 МДж.
«Это исторический шаг вперёд для исследования проблем ядерного синтеза, равно как и для критически важных проектов в сфере национальной безопасности», – заявила директор лаборатории Ким Бьюдил.
Работает NIF так: 500-терраватная лазерная установка «стреляет» всей своей мощью в резонатор Hohlraum, преобразующий лазерные лучи в рентгеновские, которые, в свою очередь, нагревают крошечную топливную «таблетку» с дейтерием и тритием. Вся операция происходит в течение нескольких пикосекунд (пикосекунда – одна триллионная доля секунды), но энергонагруженность и сложность процесса таковы, что запускают установку лишь несколько раз в месяц.
Учёным не хватило совсем немного, чтобы «зажечь» топливную таблетку и запустить реакцию синтеза, но энергия, выделенная этой таблеткой, составила 70% от энергии рентгеновских лучей, разогревавших её. С одной стороны, это совсем немного, учитывая, что лазерная установка суммарно потребляет 422 МДж и лишь около 1,8 МДж долетает до мишени. Но с другой, всего восемь лет назад в ходе подобного эксперимента исследователи «вернули» почти в 100 раз меньше – лишь 0,73% энергии.
В официальном релизе, опубликованном на сайте лаборатории, описание эксперимента звучит действительно впечатляюще: «Лазерные установки NIF размером с три футбольных поля были сфокусированы на цель 4,6 мм и образовали раскалённую точку диаметром с человеческий волос, выработавшую более 10 квадриллионов ватт термоядерной энергии за 100 триллионных секунды».
Физики из Имперского колледжа Лондона, связанного с Ливерморской лабораторией по линии научных контактов, вполне разделяют энтузиазм американских коллег.
«Было получено больше энергии, чем в любом предыдущем подобном эксперименте, – написали британские учёные. – Это доказывает, что зажигание термоядерного топлива в принципе возможно и прокладывает путь к физическим реакциям, производящим больше энергии, чем нужно для их запуска».
«Выход энергии от термоядерного синтеза растёт с такой скоростью, что даёт нам право рассчитывать на достижение новых вершин, таких, как превышение входного уровня энергии от лазеров, используемых для запуска процесса, – отметил директор Центра исследований инерционного синтеза в Имперском колледже, профессор Джереми Читтенден. – Контролируемый синтез в лабораторных условиях – один из ключевых вызовов нашей эры, и это выдающийся шаг вперёд».
Модернизация ядерного арсенала
Доктор Майкл Блак из Института Грэнтама в интервью «Гардиан» по поводу американского эксперимента выразил серьёзные сомнения, что в ближайшие десятилетия магнитный термоядерный синтез станет коммерчески рентабельным, а инерционному синтезу и вовсе предстоит путь длиной, по меньшей мере, полвека. При этом извлечение достаточного объёма энергии – лишь одна из многочисленных проблем, стоящих перед учёными. В их числе – извлечение и конвертация тепловой энергии и разработка материалов, способных продолжительное время выдерживать экстремальные температуры термоядерного синтеза.
Впрочем, сами авторы эксперимента не скрывают, что их работа посвящена не столько развитию энергетики, сколько военным целям и развитию науки вообще.
«Эти экстраординарные результаты продвигают науку, на которую полагается NNSA (Национальное управление по ядерной безопасности при Минэнерго США – ред.) в модернизации нашего ядерного вооружения, а также открывают новые возможности для исследований», – прокомментировала эксперимент секретарь Департамента энергетики США по ядерной безопасности Джилл Хруби.
Автор: Григорий Вольф
Источник: https://peretok.ru/
