Спустя десятилетия упорных поисков ученые достигли эпохального рубежа в исследованиях термоядерного синтеза: впервые удалось провести реакцию, выделившую больше энергии, чем было затрачено на ее запуск.
Министр энергетики США Дженнифер Грэнхолм объявила о том, что специалисты Национального комплекса лазерных термоядерных реакций (National Ignition Facility, NIF) в Ливерморской национальной лаборатории добились так называемого чистого прироста энергии — символической победы для всего сообщества, занимающегося разработкой термоядерной энергетики.
Этот прорыв подтверждает принципиальную осуществимость термоядерной энергии — цели, которую исследователи преследуют с 1950-х годов. Однако сам научный эксперимент потребовал использования самых мощных лазеров в мире и не является практичным путем к коммерческой термоядерной энергетике. Потребуется еще множество научных и инженерных открытий, чтобы превратить синтез из лабораторного опыта в коммерческую технологию, способную надежно поставлять безуглеродную энергию в общую сеть.
В реакциях синтеза, будь то в реакторе или в ядре звезды, атомы сталкиваются друг с другом до тех пор, пока не сольются, высвобождая энергию. Цель термоядерной энергетики — получить от реакции больше энергии, чем было затрачено на возбуждение и удержание топлива, причем сделать это в контролируемых условиях. До настоящего момента это ни разу не удавалось продемонстрировать.
Реакция синтеза в NIF добилась этого, сгенерировав 3,15 мегаджоуля энергии, что превышает 2,05 мегаджоуля, затраченных лазерами на сам реактор. В прошлом году этот же комплекс произвел лишь около 70% энергии, поданной в реакцию лазерами. Хотя для работы лазеров в целом требуется больше энергии, чем они доставляют в зону реакции, сам факт достижения чистого прироста энергии внутри системы является важнейшей вехой.
«Это придает огромный импульс нашему сообществу», — отмечает Энн Уайт, руководитель кафедры ядерной науки и инженерии в Массачусетском технологическом институте (MIT). Однако она тут же добавляет, что это не означает, что мы увидим термоядерную энергию в сети завтра: «Это нереалистично».
В лаборатории используется самый мощный в мире лазерный комплекс в рамках подхода к синтезу, известного как инерциальный конфайнмент (удержание инерцией). Этот метод основан на использовании лазерных лучей, которые срабатывают в течение нескольких миллиардных долей секунды, генерируя рентгеновское излучение, сжимающее и нагревающее крошечную топливную капсулу размером с перец горошком. В конечном итоге топливо, состоящее из тяжелых изотопов водорода — дейтерия и трития, — становится достаточно горячим и плотным для формирования плазмы, в результате чего ядра водорода начинают сталкиваться, сливаться и высвобождать энергию.
Хотя инерциальный конфайнмент стал первой схемой синтеза, показавшей чистый прирост энергии, он вряд ли является наиболее вероятным путем для любых будущих коммерческих разработок термоядерной энергии. Многие ученые-ядерщики считают, что магнитное удержание — в частности, реакторы в форме бублика, называемые токамаками, — является лучшим вариантом. Вместо лазеров токамаки и другие реакторы с магнитным удержанием используют мощные магниты для удержания топлива и достижения экстремальных условий, необходимых для синтеза, с помощью электрического тока и радиоволн.
Поскольку технические подходы сильно различаются, чистый прирост, зафиксированный в эксперименте инерциального удержания, напрямую не переносится на другие подходы к термоядерной энергии, такие как токамаки. Хотя обе концепции нацелены на создание плазмы, достаточно горячей для поддержания синтеза, физика и инженерные решения, необходимые для их достижения, различаются в зависимости от выбранной концепции, поясняет Уайт.
Некоторые хорошо финансируемые стартапы, например Commonwealth Fusion, развивают схемы магнитного удержания, в то время как Helion Energy и другие работают над гибридными магнитоинерциальными системами, а TAE Technologies фокусируется на совершенно иных подходах. И, как отмечает Уайт, все эти компании заявляют, что в конечном итоге достигнут чистого прироста, поскольку это первый шаг к созданию жизнеспособной энергетической системы на основе синтеза.
Тем не менее, достижение чистого прироста энергии — это значительный успех для области, которая десятилетиями гналась за результатами.
«Этот момент огромен», — говорит Микл Биндербауэр, генеральный директор TAE Technologies. Хотя инженерия для разных подходов к синтезу будет отличаться, он расценивает этот момент как доказательство того, что термоядерная энергия, на самом базовом уровне, может работать.
Следующим шагом после достижения чистого прироста, по словам Уайт, является производство энергии, значительно превышающей затраченную, а не просто небольшой избыток. Это особенно актуально для подходов инерциального удержания, поскольку лазеры не слишком эффективны: они потребляют из сети больше энергии, чем доставляют в реактор синтеза. Таким образом, хотя внутри самого реактора был зафиксирован чистый прирост энергии, на самом деле производство этих 3,15 мегаджоулей потребовало около 300 мегаджоулей из внешней сети.
С момента проектирования лазеров для NIF были разработаны более эффективные лазерные технологии. Кроме того, исследователи видят пути достижения реакций, производящих сотни мегаджоулей энергии, а не просто несколько, — заявил директор Ливерморской лаборатории Ким Будил на пресс-конференции после объявления.
Создание реакторов, способных надежно и многократно вырабатывать значительное количество энергии, не будет тривиальной задачей, и до коммерческого внедрения термоядерной энергетики нам еще предстоит увидеть еще много крупных анонсов.
Но достижение чистого прироста, даже в непрактичном реакторе в национальной лаборатории, является исторической вехой для синтеза. Как сказал Будил на пресс-конференции: «Это доказывает, что это возможно».
Эта статья была обновлена 14 декабря для добавления дополнительной технической информации.
