Зажечь Солнце на Земле

В погоне за термоядерной мечтой

Управляемый термоядерный синтез – реакция, противоположная ядерному делению, питающему современные АЭС, – на протяжении семидесяти лет остаётся несбыточной мечтой физиков со всего мира. Термоядерная энергия не сопряжена с побочными явлениями вроде выброса CO₂ или радиоактивных отходов, требующих строительства дорогостоящих хранилищ. Всё, что нужно для её получения, – два изотопа водорода: дейтерий и тритий, причём потенциальный источник энергии будет занимать в сотни раз меньше места, чем любая солнечная или ветровая электростанция.

В самом общем виде суть реакции управляемого термоядерного синтеза в следующем: дейтерий и тритий (атомы водорода с двумя и тремя нейтронами в ядре) искусственно сталкиваются на огромной скорости, сближаясь до расстояния одного атомного ядра и образуя новое, более тяжёлое ядро. В результате с атомов слетает электронная оболочка, газ дейтерия и трития переходит в состояние плазмы. При этом высвобождается огромное количество энергии.

Сейчас освоено два способа «сталкивания» атомов: их разгон в торообразных реакторах при помощи магнитного поля (Термоядерный синтез с магнитным удержанием) и разогрев сверхмощными лазерными пучками крошечных мишеней, содержащих дейтерий и тритий (Инерционный термоядерный синтез). До сих пор ни тем ни другим способом не удалось решить одну из ключевых проблем – количество энергии, затраченной на удержание плазмы в стабильном состоянии, всегда оставалось несопоставимо больше энергии, полученной в результате реакции. Термоядерный синтез на Солнце возможен благодаря огромной гравитации, удерживающей плазму, в земных же условиях для этого нужны магнитные поля или лазеры невероятной мощности.

Впрочем, в последнее время дело, кажется, начало сдвигаться с мёртвой точки. Ровно год назад учёные Массачусетского технологического института и стартапа Commonwealth Fusion Systems заявили, что разработанный ими и строящийся в Массачусетсе термоядерный реактор SPARC позволит удерживать плазму и получать из неё больше энергии, чем затрачено на удержание. Параллельно учёные решают и другие практические задачи на пути к эффективному термоядерному синтезу. Нынешним летом Управление по атомной энергии Великобритании (UKAEA) анонсировало десятикратное снижение нагрева материалов в ключевых компонентах термоядерной установки. В погоне за мечтой о фактически безграничной и безотходной энергии находятся и несколько крупных частных компаний. По данным BloombergNEF, сумма инвестиций, привлечённых «термоядерными частниками» в Северной Америке и Европе в прошлом году, составила $300 млн.

Стрельба из лазера по мишеням

Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, основанной в разгар холодной войны в качестве одного из двух главных американских центров по разработке ядерного оружия, долго не удавалось ничего предъявить Конгрессу и общественности в части мирных разработок. В 2009 году здесь построили Национальный комплекс зажигания (National Ignition Facility – NIF) – огромную установку из 192 лазеров мощностью 500 ТВт, – как раз для получения термоядерной энергии инерционным методом. За девять лет NIF, на который было потрачено $4 млрд, ни разу не выдал вразумительного результата и совсем недавно был на грани закрытия. Лишь в 2018 году учёным удалось получить от термоядерной реакции 3,6% от входной энергии лазера, что уже считалось неплохим результатом. Но настоящий прорыв произошёл в августе 2021 года, когда энергетическая отдача составила небывалые 70% или 1,3 МДж.

«Это исторический шаг вперёд для исследования проблем ядерного синтеза, равно как и для критически важных проектов в сфере национальной безопасности», – заявила директор лаборатории Ким Бьюдил.

Работает NIF так: 500-терраватная лазерная установка «стреляет» всей своей мощью в резонатор Hohlraum, преобразующий лазерные лучи в рентгеновские, которые, в свою очередь, нагревают крошечную топливную «таблетку» с дейтерием и тритием. Вся операция происходит в течение нескольких пикосекунд (пикосекунда – одна триллионная доля секунды), но энергонагруженность и сложность процесса таковы, что запускают установку лишь несколько раз в месяц.

Учёным не хватило совсем немного, чтобы «зажечь» топливную таблетку и запустить реакцию синтеза, но энергия, выделенная этой таблеткой, составила 70% от энергии рентгеновских лучей, разогревавших её. С одной стороны, это совсем немного, учитывая, что лазерная установка суммарно потребляет 422 МДж и лишь около 1,8 МДж долетает до мишени. Но с другой, всего восемь лет назад в ходе подобного эксперимента исследователи «вернули» почти в 100 раз меньше – лишь 0,73% энергии.

В официальном релизе, опубликованном на сайте лаборатории, описание эксперимента звучит действительно впечатляюще: «Лазерные установки NIF размером с три футбольных поля были сфокусированы на цель 4,6 мм и образовали раскалённую точку диаметром с человеческий волос, выработавшую более 10 квадриллионов ватт термоядерной энергии за 100 триллионных секунды».

Физики из Имперского колледжа Лондона, связанного с Ливерморской лабораторией по линии научных контактов, вполне разделяют энтузиазм американских коллег.

«Было получено больше энергии, чем в любом предыдущем подобном эксперименте, – написали британские учёные. – Это доказывает, что зажигание термоядерного топлива в принципе возможно и прокладывает путь к физическим реакциям, производящим больше энергии, чем нужно для их запуска».

«Выход энергии от термоядерного синтеза растёт с такой скоростью, что даёт нам право рассчитывать на достижение новых вершин, таких, как превышение входного уровня энергии от лазеров, используемых для запуска процесса, – отметил директор Центра исследований инерционного синтеза в Имперском колледже, профессор Джереми Читтенден. – Контролируемый синтез в лабораторных условиях – один из ключевых вызовов нашей эры, и это выдающийся шаг вперёд».

Модернизация ядерного арсенала

Доктор Майкл Блак из Института Грэнтама в интервью «Гардиан» по поводу американского эксперимента выразил серьёзные сомнения, что в ближайшие десятилетия магнитный термоядерный синтез станет коммерчески рентабельным, а инерционному синтезу и вовсе предстоит путь длиной, по меньшей мере, полвека. При этом извлечение достаточного объёма энергии – лишь одна из многочисленных проблем, стоящих перед учёными. В их числе – извлечение и конвертация тепловой энергии и разработка материалов, способных продолжительное время выдерживать экстремальные температуры термоядерного синтеза.

Впрочем, сами авторы эксперимента не скрывают, что их работа посвящена не столько развитию энергетики, сколько военным целям и развитию науки вообще.

«Эти экстраординарные результаты продвигают науку, на которую полагается NNSA (Национальное управление по ядерной безопасности при Минэнерго США – ред.) в модернизации нашего ядерного вооружения, а также открывают новые возможности для исследований», – прокомментировала эксперимент секретарь Департамента энергетики США по ядерной безопасности Джилл Хруби.