На протяжении более чем 60 лет учёные работают над решением одной из сложнейших задач прикладной физики – добычи чистой энергии при помощи термоядерного синтеза, который является основным источником энергии в звёздах. 5 декабря в научном комплексе National Ignition Facility Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса свершился долгожданный прорыв в сфере термоядерной энергетики: учёным впервые удалось получить больше энергии, чем было потрачено для поддержания контролируемой реакции.
В понедельник 5 декабря 2022 года комплекс из 192 мощнейших лазеров сконцентрировал импульсы в объёме 2,05 мегаджоуля энергии в крошечную капсулу, содержащую замороженную смесь дейтерия и трития – тяжёлых изотопов водорода. Сжатие капсулы сгенерировало скачок температуры и давления, которых оказалось достаточно для запуска термоядерного синтеза. Хотя продолжительность термоядерной реакции составила менее миллиардной доли секунды, объединение дейтерия и трития в более тяжёлый элемент – гелий – произвело 3,15 мегаджоуля энергии, примерно на 50% больше, чем было потрачено для запуска реакции. Несмотря на скоротечность этого события, факт его достижения доказывает, что оборудование комплекса NIF способно «зажигать» и поддерживать инерциальный термоядерный синтез. На текущем этапе исследования учёные сконцентрируются на детальном рассмотрении всех условий данного процесса.
Увы, данное достижение пока не делает термоядерный синтез жизнеспособным источником чистой энергии. Хотя в процессе термоядерной реакции учёным удалось получить больше энергии, чем реактор потратил на нагрев атомных ядер, эта разница не покрывает и малой доли объёма энергии, необходимого для полного обслуживания реактора. По словам Кимберли Будил, директора Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, чтобы комплекс смог сгенерировать лазерные лучи с общим количеством энергии около 2 мегаджоулей, ему понадобилось примерно 300 мегаджоулей. Разумеется, пока никакой речи не идёт о том, что подключить NIF к сети и использовать его для питания страны, однако прежде учёным не удавалось покрыть и тех ~2 мегаджоулей.
Современные атомные электростанции генерируют энергию за счёт самоподдерживающейся цепной реакции деления, в ходе которой тяжёлые атомы вроде урана превращаются в более лёгкие в результате радиоактивного распада. В свою очередь идея термоядерной энергетики также полагается на естественное поведение атома. Однако в её основе лежит соединение лёгких атомов вроде водорода в более тяжёлые. В процессе они высвобождают часть общей массы в виде энергии. Для поддержания подобной реакции в лабораторных условиях необходимо создать и поддерживать максимально плотную и горячую плазму достаточно долго, чтобы «зажечь» термоядерную реакцию. Проблема в том, что ионизированный газ чрезвычайно трудно удерживать в нужном состоянии, поскольку он быстро остывает и реагирует на сторонние магнитные поля. Одним из ключевых условий поддержания термоядерной реакции – сохранение чрезвычайно высоких температур внутри реактора, выше, чем даже внутри нашего Солнца.
По словам физика Риккардо Бетти, запускаемую при помощи лазеров ядерную реакцию можно сравнить с зажиганием топлива в ДВС. Небольшое количество топлива смешивается с воздухом и загорается от крошечной искры. Впрочем, искра всё же должна быть достаточно мощной, чтобы передаваемой ею энергии хватило для зажигания топливной смеси. В случае термоядерного реактора в качестве топлива выступает капсула с дейтерием и тритием, помещённая в золотой цилиндр размером с карандашный ластик. В роли искры выступают 192 лазера, которыми прицельно выстреливают в полость цилиндра. Таким образом происходит стремительное нагревание и сжатие материи цилиндра до плотности, в сотни раз превышающей плотность свинца. В результате сжатия цилиндра внутри него дейтерий и тритий достигают значений температуры и давления, достаточных для запуска термоядерной реакции. И хотя учёным наконец удалось «зажечь» эту реакцию, силы лазерной «искры» по-прежнему недостаточно, чтобы реакция продолжалась дольше миллиардных частей секунды.
Согласно расчётам учёных, для коммерциализации технологии будет необходимо, чтобы реактор генерировал в 50-100 раз больше энергии, чем используется в его лазерах. К тому же для «зажигания» реакций в промышленных масштабах лазерам будет нужно испарять десятки капсул с топливом ежесекундно, что весьма проблематично, учитывая редкость и высокую цену трития – самого тяжёлого радиоактивного изотопа водорода с относительно коротким периодом полураспада. По словам исследователей, на поиск решений и альтернатив уйдёт ещё немало лет, однако большинство из них верят, что в конечном счёте использование термоядерного синтеза в качестве источника чистой энергии не только вполне реально, но и очень перспективно.
Источник фото: LAWRENCE LIVERMORE NATIONAL LABORATORY