Заработало! Американские ученые добились исторического прорыва для термоядерной энергетики

Термоядерная энергия — что это такое?

Ядерный синтез можно назвать основой жизни во Вселенной, ведь именно он питает Солнце и другие звезды. На словах он звучит достаточно просто — ядра легких атомных элементов дейтерия и трития (изотопы водорода с одним и двумя нейтронами соответственно) сливаются в нагретой плазме. Эта реакция создает атом гелия и огромное количество энергии как побочный продукт.

Очевидно, что больше всего нас интересует именно этот побочный продукт ядерного синтеза. Потенциально это изменит жизнь всего человечества, ведь это — самый природный и «зеленый» способ добывать энергию из всех возможных.

«Во время работы со слиянием ядер невозможно довести все до аварии; после синтеза не остается отходов, которые будут подолгу лежать в земле; использовать [слияние] для создания оружия также невозможно. Это снимает проблему энергетической безопасности, которая беспокоит мир более века», — говорит Кристофер Моури, генеральный директор General Fusion, канадского стартапа, который работает над созданием реакторов.

Кроме того, термоядерные реакторы являются едва ли не самой безопасной технологией. Новый Чернобыль невозможен в условиях термоядерной реакции, ведь в случае любых проблем плазма мгновенно затухает и остывает, а ядерная реакция останавливаются. Это же свойство плазмы одновременно является частью проблемы, над которой сейчас ломают головы тысячи исследователей.

Ученые работают над технологией еще с середины ХХ века, однако до сих пор им так и не покорилась одна самая важная деталь: возможность получать больше энергии, чем требуется для работы реактора, который поддерживает ядерную реакцию.

«Воспламенение» — ключ к термоядерной энергетике

Ученые комплекса NIF работают с необычным реактором: это 192 огромных лазера размером с три футбольных поля, которые направляются в центр камеры зажигания. Там находится топливная таблетка с дейтерием и тритием. Лазеры светят на нее со всех сторон, накаляя до состояния плазмы и очень сильно ее сжимая. Таким образом атомы водорода сжимаются в гелий, постепенно высвобождая альфа-частицы, которые высвобождаются из разогретой плазмы в результате самоподдерживающейся реакции.

Как только водородная плазма «воспламеняется», реакция синтеза способна поддерживать сама себя. То есть, реакция производит достаточно энергии, чтобы атомы водорода продолжали сталкиваться без влияния со стороны инженеров, которые в противном случае должны поддерживать реакцию, «вливая» в плазму энергию из других источников, чтобы та не остывала.

По сути, воспламенение во время термоядерной реакции означает, что она произвела достаточно энергии, чтобы поддерживать саму себя — это и есть ключом к тому, чтобы в дальнейшем вырабатывать электроэнергию из термоядерных источников. Именно это и удалось команде ученых из Национального комплекса лазерных термоядерных реакций: в ходе очередного эксперимента они зафиксировали выход энергии объемом более 1,3 мегаджоулей (МДж) всего за несколько наносекунд.

Алекс Зилстра, физик Ливерморской национальной лаборатории (LLNL), где и располагается NIF, рассказывает, что ученые шли к этому постепенно, а успеху предшествовали годы работы над «горящей плазмой». Это — та самая ступенька, которая предшествует «воспламенению» — отличие в том, что «горящая плазма» все еще требует дополнительной энергии для стабильного поддержания термоядерной реакции.

Ученые провели различные улучшения в конструкции реактора, заменив хольраум, улучшив капсулу и уменьшив топливную трубку.

«Достижение условий, необходимых для воспламенения, было давней целью всех исследований термоядерного синтеза с инерционным удержанием и открывает доступ к новому экспериментальному режиму, в котором саморазогрев альфа-частиц опережает все механизмы охлаждения в термоядерной плазме», — говорит Омар Харрикейн, главный научный сотрудник программы LLNL по термоядерному синтезу с инерционным удержанием.

Так когда будет термоядерная энергия?

Несмотря на выдающееся достижение ученых, мы все еще далеки от того, что можно было бы называть термоядреной энергетикой. Достижение «воспламенения» — это невероятно важный шаг, который показывает, что мы наконец начинаем двигаться в правильном направлении, однако работа еще далека от завершения.

Учитывая, что в 2013 году проект NIF планировали закрыть из-за бесперспективности (тогда во время эксперимента специалистам удалось добыть лишь 0,73% затраченной энергии), достижение воспламенения — это огромный шаг навстречу термоядерному будущему.

Сейчас ученые планируют использовать все полученные данные от экспериментов и моделирований для перехода к режиму работы за пределами «черты воспламенения». Для этого исследователи NIF усовершенствуют лазеры и модифицируют конструкцию своего реактора, чтобы улучшить подачу топлива и увеличить давление на топливную таблетку.

Последующие эксперименты помогут ученым оптимизировать процесс ядерного синтеза и понять, как можно будет его адаптировать для выработки электроэнергии в будущем.

Невероятно наконец получить доказательство возможности существования возгорания в лаборатории. Сейчас мы работаем в таком экстремальном режиме, доступа к которому не имел ни один исследователь с момента окончания ядерных испытаний. Это невероятная возможность", — резюмирует Харрикейн.