Запрацювало! Американські вчені досягли історичного прориву для термоядерної енергетики

Термоядерна енергія — що це таке?

Ядерний синтез можна назвати основою життя у Всесвіті, адже саме він живить Сонце та інші зірки. На словах він звучить досить просто — ядра легких атомних елементів дейтерію і тритію (ізотопи водню з одним і двома нейтронами відповідно) зливаються в нагрітій плазмі. Ця реакція створює атом гелію та величезну кількість енергії як побічний продукт.

Очевидно, що найбільше цікавить нас саме цей побічний продукт ядерного синтезу. Потенційно це змінить життя всього людства, адже це — найприродніший і найзеленіший спосіб видобувати енергію з усіх можливих.

«Під час роботи зі злиттям ядер неможливо довести все до аварії; після синтезу не залишається відходів, які довго лежатимуть у землі; використовувати [злиття] для створення зброї також неможливо. Це знімає проблему енергетичної безпеки, яка турбує світ понад століття», — каже Крістофер Моурі, генеральний директор General Fusion, канадського стартапу, який працює над створенням реакторів.

Крім того, термоядерні реактори є чи не найбезпечнішою технологією. Новий Чорнобиль неможливий в умовах термоядерної реакції, адже у разі будь-яких проблем плазма миттєво згасає та остигає, а ядерна реакція зупиняється. Ця ж властивість плазми є частиною проблеми, над якою зараз ламають голови тисячі дослідників.

Вчені працюють над технологією ще з середини ХХ століття, проте досі їм так і не підкорилася одна найважливіша деталь: можливість отримувати більше енергії, ніж потрібно для роботи реактора, який підтримує ядерну реакцію.

«Запалювання» — ключ до термоядерної енергетики

Вчені комплексу NIF працюють з незвичайним реактором: це 192 величезні лазери розміром з три футбольні поля, які прямують до центру камери запалювання. Там міститься паливна таблетка з дейтерієм і тритієм. Лазери світять на неї з усіх боків, розжарюючи стан плазми і дуже сильно її стискаючи. Таким чином атоми водню стискаються в гелій, поступово вивільняючи альфа-частинки, які вивільняються з розігрітої плазми в результаті самопідтримуваної реакції.

Щойно воднева плазма «запалюється», реакція синтезу здатна підтримувати сама себе. Тобто реакція виробляє достатньо енергії, щоб атоми водню продовжували зіштовхуватися без впливу з боку інженерів, які в іншому випадку мають підтримувати реакцію, «вливаючи» в плазму енергію з інших джерел, щоб вона не остигала.

По суті, запалювання під час термоядерної реакції означає, що вона виробила достатньо енергії, щоб підтримувати саму себе — це і є ключем до того, щоб надалі виробляти електроенергію з термоядерних джерел. Саме це і вдалося команді вчених із Національного комплексу лазерних термоядерних реакцій: у процесі чергового експерименту вони зафіксували вихід енергії об'ємом понад 1,3 мегаджоулі (МДж) лише за кілька наносекунд.

Алекс Зілстра, фізик Ліверморської національної лабораторії (LLNL), де і розташовується NIF, розповідає, що вчені йшли до цього поступово, а успіху передували роки роботи над «охопленою полум’ям плазмою». Це — та сама сходинка, яка передує «запалюванню» — відмінність у тому, що «охоплена полум’ям плазма» все ще потребує додаткової енергії для стабільної підтримки термоядерної реакції.

Вчені провели різні поліпшення в конструкції реактора, замінивши хольраум, удосконаливши капсулу та зменшивши паливну трубку.

«Досягнення умов, необхідних для запалювання, було давньою метою всіх досліджень термоядерного синтезу з інерційним утриманням і відкриває доступ до нового експериментального режиму, в якому саморозігрів альфа-частинок випереджає всі механізми охолодження в термоядерній плазмі», — каже Омар Гаррікейн, головний науковий співробітник програми LLNL з термоядерного синтезу з інерційним утриманням.

То коли буде термоядерна енергія?

Незважаючи на визначне досягнення вчених, ми все ще далекі від того, що можна було б називати термоядреною енергетикою. Досягнення «запалювання» — це неймовірно важливий крок, який показує, що ми нарешті починаємо рухатися у правильному напрямку, проте робота ще далека від завершення.

Враховуючи, що у 2013 році проект NIF планували закрити через безперспективність (тоді під час експерименту фахівцям вдалося видобути лише 0,73% витраченої енергії), досягнення запалювання — це величезний крок назустріч термоядерному майбутньому.

Наразі вчені планують використовувати всі отримані дані від експериментів та моделювань для переходу до режиму роботи за межами «риски запалювання». Для цього дослідники NIF удосконалять лазери та модифікують конструкцію свого реактора, щоб поліпшити подачу палива та збільшити тиск на паливну таблетку.

Наступні експерименти допоможуть вченим оптимізувати процес ядерного синтезу та зрозуміти, як можна буде його адаптувати для вироблення електроенергії у майбутньому.

«Неймовірно зрештою отримати доказ можливості існування запалювання в лабораторії. Зараз ми працюємо в такому екстремальному режимі, доступу до якого не мав жоден дослідник з моменту закінчення ядерних випробувань. Це неймовірна можливість», — підсумовує Гаррікейн.