Охота за солнцем: ученые впервые приблизились к созданию безграничной чистой энергии
На крупнейшем в мире объекте ядерного синтеза ученые впервые добились явления, известного как воспламенение. Они создали ядерную реакцию, которая генерирует больше энергии, чем потребляет. Результаты прорыва, случившегося 5 декабря, взбудоражили мировое сообщество исследователей термоядерного синтеза — феномена, который питает Солнце. Он сможет стать источником почти безграничной чистой энергии на Земле. Разбираемся в подробностях.
Охота за термоядерной энергией
В условиях глобального потепления, вызванного нашей зависимостью от углеводородного топлива, миру требуются устойчивые источники альтернативной энергии. «Святой Грааль» — получение коммерческой энергии из реакций ядерного синтеза. Ученые преследовали эту цель на протяжении десятилетий. Термоядерный синтез является привлекательным аналогом существующих источников энергии, потому что практически не производит радиоактивных отходов или парниковых газов и требует простых ингредиентов. Ключом к этой мечте о безграничной мощности является высвобождение большего количества энергии в результате реакции, чем требуется для ее производства.
Именно ядерный синтез питает энергией звезды, включая наше Солнце. В их недрах огромная сила гравитации вдавливает атомы водорода друг в друга. Это позволяет поддерживать реакцию на протяжении миллиардов лет. Но контролировать высвобождаемую энергию на Земле настолько сложно, что исследования в области термоядерного синтеза ведутся с начала 1950-х годов.
На Солнце термоядерный синтез происходит при температуре около 10 млн °C. На Земле же гравитация примерно в 30 раз слабее, поэтому для протекания реакции нужна температура еще более высокая — около 100 млн °C. Воспроизвести слияние ядер в лабораторных условиях очень непросто. Все существующие экспериментальные реакторы требуют больше энергии для запуска термоядерной реакции, чем удается получить в результате ее проведения. В этом состоит главная проблема, с которой ученые боролись долгие десятилетия.
В августе 2021 года эксперты использовали мощное лазерное устройство для достижения рекордной реакции, которая преодолела критический порог на пути к воспламенению. Но попытки воспроизвести этот эксперимент в последующие месяцы не увенчались успехом. В конце концов, ученым пришлось переосмыслить свои действия. Усилия окупились в начале декабря: впервые в лаборатории термоядерный синтез произвел больше энергии, чем потребил.
Как ученым удалось высвободить энергию?
Основная проблема заключалась в том, как построить достаточно прочную оболочку для реактора, чтобы та смогла сдержать плазму — эдакий горячий ядерный бульон, в котором происходит синтез под огромным давлением. В этом высокоэнергетическом состоянии электроны отрываются от атомов. В таком случае системы отвода тепловой энергии должны выдерживать уровни температуры и перегрузки, похожие на те, что испытывает космический корабль при возвращении на орбиту.
Чтобы химические соединения выдержали контакт с раскаленным веществом, еще в 1960-е годы советские ученые придумали удерживать раскаленную до астрономических температур плазму при помощи магнитных ловушек. Ее запирали в тороидальную камеру, так, чтобы она не касалась стенок.
В итоге американские ученые использовали набор из 192 лазеров для подачи 2,05 мегаджоулей энергии на золотой цилиндр размером с горошину, содержащий изотопы водорода — дейтерия и трития. Импульс энергии заставил капсулу разрушиться, создавая температуру, наблюдаемую только у звезд, а изотопы слились в гелий, высвобождая дополнительную энергию и создавая каскад термоядерных реакций.
Лабораторный анализ показал, что в результате реакции было высвобождено около 3,15 мегаджоулей энергии — примерно на 54% больше, чем энергии, которая пошла на реакцию.
Когда мир получит безграничную ядерную мощь?
Результаты эксперимента всколыхнули шумиху о будущем, основанном на чистой термоядерной энергии, но эксперты предупреждают, что впереди еще долгий путь.
Многие исследователи сомневаются, что лазерный термоядерный синтез станет тем подходом, который в конечном итоге даст термоядерную энергию. Ученые считают, что состоявшийся успех может повысить уверенность в перспективах мощности лазерного синтеза. Это необходимо, чтобы завоевать доверие для продажи энергетической программы.
Во всем мире проводится много других экспериментов по термоядерному синтезу, но инженерные проблемы остаются, включая проектирование и строительство заводов, которые могут извлекать тепло, выделяемое в результате синтеза, и использовать его для выработки значительного количества электроэнергии.
Несмотря на положительные новости, этот результат все еще далек от фактического прироста мощности, необходимого для производства электричества. Тем не менее подобные эксперименты необходимы на пути к коммерческой термоядерной энергии.
━━━━━
Анастасия Дегтярева
