Ядерный синтез снова будоражит общественность. Недавно в США объявили о «крупном научном прорыве» в термоядерной энергетике. Впервые в истории во время термоядерного эксперимента ученые смогли произвести больше энергии, чем было затрачено на запуск реакции. Однако определенный прогресс в термоядерном синтезе наблюдается уже достаточно давно. СМИ часто пестрят заголовками о «прорывах», которые на самом деле означают лишь то, что мы стали на сантиметр ближе к получению чистой энергии из ядерного синтеза.
Это довольно сложная тема, поэтому для всех, кто хочет в ней разобраться, мы составили это небольшое руководство по термоядерной энергетике. Здесь будут представлены как фантазии ученых о светлом энергетическом будущем, так и суровая реальность, с которой они сталкиваются сегодня, пытаясь превратить термоядерный синтез из амбиций в настоящую чистую энергию для всех.
Что такое ядерный синтез?
Ядерный синтез – это заветная мечта большей части физиков на протяжении почти целого столетия. В теории он звучит достаточно просто, но воспроизвести его на практике гораздо сложнее, чем кажется. С помощью этого процесса звезды, включая наше Солнце, вырабатывают собственную энергию. Атомы сливаются вместе при высокой температуре и давлении, создавая новый, более тяжелый атом. Обычно таким образом объединяются атомы водорода, образуя гелий. В ходе этой реакции высвобождается колоссальное количество энергии, поэтому ученые и пытаются воспроизвести тот же процесс на Земле в ходе контролируемого эксперимента. Неконтролируемым способом они это уже сделали – водородная бомба.
Чем ядерный синтез отличается от ядерного деления?
Синтез объединяет, деление делит – все просто. Атомные электростанции, которые есть у нас сейчас, вырабатывают энергию именно способом ядерного деления. Это противоположно синтезу, который высвобождает энергию, сливая атомы воедино.
Каковы преимущества ядерного синтеза?
Если ученые научаться осуществлять ядерный синтез контролируемым способом, это можно будет использовать для получения практически бесконечной энергии. Самый простой пример – из водорода. Это наиболее распространенный элемент во Вселенной, он есть почти везде, например, из морской воды. Согласно подсчетам ученых, с помощью ядерного синтеза из одного литра морской воды можно будет получить столько же энергии, сколько из 75 литров бензина.
Современные ядерные реакторы оставляют большое количество радиоактивных отходов после деления атомов. И что делать со всем этим в ближайшие несколько миллионов лет до сих пор никто не знает.
У синтеза таких проблем нет. Он не разрушает, а создает новые атомы, и обычно это атомы гелия (тот самый газ, что заставляет воздушные шары взлетать в воздух). Синтез не производит никаких выбросов и при этом создает огромное количество энергии. И он даже не зависит от погодных условий, как солнечная или ветровая энергетика.
Почему ядерный синтез до сих пор не воспроизвели?
Потому что воссоздать звезду в лабораторных условиях невероятно сложно. Для вызова термоядерного синтеза нужно очень большое давление и крайне высокая температура. Внутри Солнца такие условия есть – там очень жарко и давление такое, что синтез просто происходит сам собой. На Земле же такого давления нет и быть не может, поэтому ученым придется добиться температуры даже более высокой, чем на Солнце, чтобы воссоздать эту реакцию. Они пытаются сделать это уже много лет, но каждый раз в результате синтеза высвобождалось меньше энергии, чем затрачивалось на него же.
Помимо того, что это невероятно сложно, оно еще и фантастически дорого и требует передового и узконаправленного оборудования. С учетом всех этих препятствий удивительно, что физики вообще смогли добиться такого большого прогресса, как сейчас.
Что это за новый «прорыв в ядерном синтезе», о котором все говорят?
5 декабря 2022 года ученые из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (США) впервые в истории провели контролируемую реакцию «термоядерного синтеза».
Директор Управления по науке и технологиям США Арати Прабхакар объяснил это максимально доступным языком во время пресс-конференции: «Они выстрелили несколькими лазерами в топливную таблетку и в результате этого термоядерного синтеза было высвобождено больше энергии, чем ушло на запуск этих лазеров.
Конкретно в ходе эксперимента было получено 3,15 мегаджоуля энергии, а затрачено всего 2,05 МДж – в полтора раза больше! В коммерческих масштабах это, конечно, пыль, но главной задачей ученых было добиться хоть какого-то прироста чистой энергии, и у них это получилось.
Как они это сделали?
Для этого они использовали самую большую в мире лазерную систему с максимальной энергией, которая называется National Ignition Facility (NIF). Эта система размером с три футбольных поля может выстреливать 192 мощными лазерами по одной цели. Для достижения термоядерного синтеза все эти лучи были направлены на алмазную топливную капсулу размером с перчинку и в сто раз более гладкую, чем зеркало. В капсуле находились изотопы водорода, многие из которых начали сливаться вместе, вырабатывая энергию. Это привело к тому, что примерно 4% используемого топлива превратилось в чистую энергию.
Лазеры – это круто, но что там было про алмазы?
«Топливная капсула представляет собой оболочку размером с перчинку, сделанную из алмаза, и она должна быть как можно более совершенной», — заявил руководитель программы создания мишеней в Ливерморской лаборатории Майкл Стадерманн на пресс-конференции. – «Вы наверняка знаете, что добиться совершенства невероятно сложно, поэтому нам еще предстоит много работы – на нашей оболочке все еще остаются крошечные дефекты, хоть они и меньше, чем у бактерий».
Не последнюю роль в достижении синтеза играет симметрия. Лазеры должны быть максимально точно выровнены, ведь почти 200 лучей направлены в одну крохотную точку, обстреливая ее под сильным давлением и при огромной температуре. Ученые говорят, что это как сжать баскетбольный мяч до горошины, придавая ему при этом идеальную сферическую форму. В случае возникновения хотя бы малейших отклонений будет потеряно огромное количество кинетической энергии, и синтез не случится.
Означает ли это, что теперь у нас будет термоядерная энергия?
Пока нет. Хоть синтез и был достигнут в лаборатории, исследователи ставили перед собой цель достичь хотя бы минимального прироста чистой энергии, исходящего из лазеров. Но эксперимент не учитывал то, что, выбрасывая 2,05 Мдж энергии, эти лазеры пожирали около 300 МДж из электросети. Чтобы использовать такую энергию в коммерческих целях, нужно учитывать и это, а на данном этапе энергии все еще тратиться намного больше, чем вырабатывается.
Чтобы условная термоядерная электростанция заработала, прироста энергии в полтора раза будет недостаточно даже с учетом потребления электричества самим лазерами. Для этого выходная мощность должна быть усилена в 50, а то и 100 раз.
Куда ученые будут двигаться теперь?
Им предстоит еще много работы, чтобы достичь конечной цели. Физики постоянно пытаются добиться идеальной симметрии, направляя лазеры все точнее и делая капсулу все более ровной. В масштабах крохотной точки проводить подобные «махинации» фантастически тяжело и дорого. Физик-теоретик из Чикагского университета Роберт Рознер на пресс-конференции обмолвился, что одна такая капсула сейчас может стоить около 100 000 долларов. Он уже успел поработать над NIF, и, по его словам, чтобы ядерный синтез стал коммерчески выгодным, стоимость такой оболочки должна снизиться до нескольких центов. Условный термоядерный реактор будет потреблять около миллиона этих гранул в день, и пока каждая из них стоит как крыло от самолета (как видите, это даже не метафора), ни о какой коммерческой выгоде не может идти и речи.
Помимо этого, чтобы проводить подобные реакции чаще, высвобождая все больше энергии, понадобится более эффективное и быстрое оборудование. NIF, конечно, самый мощный в мире, но его строительство началось в 1997 году, закончилось в 2009, и он все еще работает на лазерной технологии из восьмидесятых годов прошлого века. Эта установка сейчас может выстреливать лазерами один раз в 4-8 часов, чего недостаточно. Тэмми Ма, физик, специализирующийся на плазме, из Ливерморской лаборатории, говори, что полноценная термоядерная электростанция должна выстреливать лазерами 10 раз в секунду.
«Одна запальная капсула – это одна реакция. Чтобы реализовать коммерческую термоядерную энергию, нам нужно сделать еще очень многое. Необходимо иметь возможность производить очень много реакций термоядерного синтеза в минуту», — сказал на пресс-конференции Ким Будил, директор Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса. – «На данный момент мы сталкиваемся с серьезными препятствиями не только в науке, но и в технологиях».
Существуют ли другие способы объединения атомов?
Безусловно, лазеры не являются единственной возможностью воспроизвести реакцию ядерного синтеза. Еще один вариант – использование магнитных полей для удержания плазменного топлива с помощью устройства под названием токамак. Построить токамак гораздо быстрее и дешевле, чем такую установку, как NIF, это по силам даже частным компаниям, поэтому они куда более распространены прямо сейчас.
Проблема лишь в том, что токамак все еще не достиг синтеза. Однако используемые в нем магниты теоретически способны поддерживать такую реакцию намного дольше, чем NIF, который удерживает ее лишь долю наносекунды. Как бы то ни было, прорыв в любом из этих направлений поможет приблизить коммерческое использование термоядерной энергии.
Что же на самом деле означает достижение ядерного синтеза?
Физики говорят, что достижение синтеза – самая трудная задача в исследованиях термоядерной энергии. Поэтому, несмотря на то, что им предстоит еще очень много работы, дальше она пойдет немного проще.
Как бы то ни было, синтез сегодня – это больше научный прорыв, чем практический и экономический. По крайней мере на ближайшие годы (а может и еще дольше). Однако коммерция – не единственная область, где может пригодиться термоядерный синтез. Он также может оказать огромное влияние на безопасность, а именно ядерную защиту.
Речь идет о ядерном оружии?
Нет, не пугайтесь. Изначально NIF разрабатывался для того, чтобы США могли тестировать свое ядерное оружие, не взрывая реальные боеголовки. Договор о всеобъемлющем запрете ядерных испытаний по всей Земле был подписан в 1996 году, положив конец подземным испытательным взрывам. NIF начали строить в следующем году. Ядерный синтез, которого удалось достичь сейчас, по сути является имитацией неконтролируемого синтеза, происходящего при взрыве ядерной бомбы. Ученые надеются, что достижение контролируемого синтеза в лабораторных условиях позволит тестировать оружие с помощью компьютерного моделирования вместо реальных испытательных взрывов.
Когда у нас будут термоядерные электростанции?
Самые оптимистичные (читай: фантастические) прогнозы говорят, что уже в течение следующих десяти лет. Но большинство ученых смотрит на вещи более здраво и говорят, что коммерческой термоядерной энергии ждать еще несколько десятилетий как минимум.
Решит ли это проблему изменения климата?
Неважно, сколько времени понадобится ученым, чтобы получить реальную энергию. Мы не можем просто сидеть и ждать, когда придет мифический ядерный синтез и избавит нашу планету от необходимости выбрасывания ядерных отходов. Согласно исследованиям, чтобы глобальное потепление не достигло критической точки, людям нужно полностью избавиться от парниковых газов уже к 2050 году, а к 2030-ому – сократить на половину. Климат в любом случае меняется быстрее, чем развивается термоядерная энергетика, поэтому нам необходимо думать, как решать проблемы глобального потепления другими способами.
