В декабре ученые из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса преодолели важную веху в термоядерном синтезе, используя 192 лазера для запуска термоядерной реакции, которая на короткое время произвела больше энергии, чем было использовано для ее запуска.
Это достижение является высшей точкой исследований в области термоядерного синтеза, области, в которой более 70 лет назад было создано термоядерное оружие, но до сих пор нет реактора, способного генерировать электроэнергию.
Но что означает этот эксперимент в Национальном центре воспламенения LLNL, также известном как NIF, для науки и для мечты о новом источнике энергии, который будет питать наши дома и автомобили, не выделяя углекислого газа?
Короче говоря, это большое дело, и можно аплодировать, но это не означает, что революция в зеленой энергетике неизбежна. Пройдут еще годы, прежде чем прогресс в области термоядерной энергетики принесет плоды — вероятно, десятилетие или около того — и до сих пор не ясно, будет ли термоядерный синтез когда-либо достаточно дешевым, чтобы радикально преобразовать нашу энергосистему.
Что такое термоядерная реакция?
Реакция происходит, когда два более легких элемента, таких как водород или гелий, сливаются в один более тяжелый элемент. Эта ядерная реакция высвобождает много энергии, о чем свидетельствует самая большая термоядерная печь вокруг Солнца.
Однако на Земле сложнее добиться синтеза, потому что атомные ядра заряжены положительно и поэтому отталкиваются друг от друга. Огромная масса Солнца создает огромное давление, которое преодолевает это отталкивание, но на Земле требуются другие силы.
Есть два общих подхода к термоядерному синтезу: инерционное и магнитное удержание. Инерционное удержание обычно использует лазеры, чтобы поразить шарик большой мощности, вызывая взрыв, который сжимает термоядерное топливо. Это метод, который использует NIF.
Другой подход использует магнитные поля. Это более распространено среди компаний, пытающихся коммерциализировать термоядерную энергию.
Что дал эксперимент в NIF?
Он преодолел критический порог для синтеза, когда энергия, генерируемая реакцией синтеза, — 3,15 миллиона джоулей — превысила 2,05 мегаджоуля, которые выкачивали лазеры для запуска реакции. Исследователи термоядерного синтеза обозначают отношение выходной энергии к входной энергии буквой Q, и это первый раз, когда реакция синтеза превзошла Q = 1.
Термоядерные реакторы должны будут достичь порога Q = 10, прежде чем производство энергии станет практичным. Это то, к чему стремятся все, в том числе другой крупный проект, финансируемый государством, под названием ИТЭР во Франции.
В некотором смысле это академическая веха, к которой эксперименты по термоядерному синтезу двигались десятилетиями. Но, учитывая репутацию термоядерного синтеза, это важное доказательство того, что это возможно.
Что означает эксперимент NIF для зеленой энергетики?
Немного по нескольким причинам. Во-первых, в большинстве коммерческих проектов в области термоядерной энергии используются различные формы магнитного удержания, а не лазерный подход NIF, поэтому инженерные задачи иные. С другой стороны, NIF — это гигантский проект национальной лаборатории стоимостью 3,5 миллиарда долларов, финансируемый для исследования ядерного оружия, а не проект, предназначенный для производства надежной энергии по наиболее конкурентоспособной цене.
«Не ожидайте, что будущие термоядерные установки будут похожи на NIF», — написал в Твиттере исследователь из Принстона Уилсон Рикс. Огромная неэффективность лазеров NIF и преобразования тепла термоядерного синтеза в электрическую мощность означает, что их конструкция по своей сути непрактична. Для сравнения, «термоядерный синтез с магнитным удержанием имеет более реальные перспективы», — написал он в Твиттере.
Снижение стоимости термоядерного синтеза имеет решающее значение для его успеха, поскольку ему придется конкурировать с альтернативами с нулевым выбросом углерода, такими как сегодняшние ядерные реакторы на основе ядерного деления, которые могут генерировать стабильные поставки энергии, и возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнечная энергия, которые дешевле, но прерывисты.
«Первым конкурентом термоядерного синтеза является ядерное деление», — заключили исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы в октябрьском исследовательском документе, еще не прошедшем рецензирование, в котором оцениваются перспективы термоядерного синтеза в электрической сети. Они ожидают, что если высокие затраты на термоядерный синтез удастся снизить в достаточной степени, он сможет заменить потребность в будущих атомных электростанциях, а при дальнейшем снижении может конкурировать с сочетанием солнечной энергии и накопления энергии.
NIF — большой и сложный проект. Но если термоядерные электростанции могут быть построены в виде более дешевых и небольших блоков, которые больше похожи на что-то, сходящее с заводской линии, производственные затраты должны снизиться.
И все же - есть ли хоть какая-то выгода от результатов NIF?
Да. Ученые могли бы извлечь некоторую пользу из эксперимента NIF, обновив модели физики термоядерного синтеза, чтобы учесть тот факт, что он поставляет собственное тепло вместо того, чтобы полагаться на внешние источники, сказал Эндрю Холланд, исполнительный директор Fusion Industry Association, группы защиты интересов отрасли.
Генеральный директор TAE Technologies Михл Биндербауэр назвал результат NIF «огромной ступенькой на заре эпохи термоядерного синтеза» и сказал, что это важная иллюстрация того, что термоядерная энергия действительно правдоподобна.
Это заметили и инвесторы. По словам Холланда, количество загрузок годового отчета Fusion Industry Association, в котором подробно описаны 4,8 миллиарда долларов венчурных инвестиций в стартапы в области термоядерной энергии, увеличилось в десять раз с момента объявления о достижении NIF. Он добавил, что многие из тех, кто просит об этом, представляют инвестиционные компании.
Как работает термоядерный синтез в NIF?
NIF запускает термоядерный синтез, используя 192 мощных инфракрасных лазера с суммарным уровнем энергии 4 мегаджоуля — примерно столько же, сколько у двухтонного грузовика, движущегося со скоростью 100 миль в час. Он преобразуется сначала в 2 мегаджоуля ультрафиолетового света, а затем в рентгеновские лучи, которые поражают гранулу термоядерного топлива размером с перчинку.
Интенсивное рентгеновское излучение заставляет внешний слой гранулы взрываться, сжимая внутреннюю часть гранулы и запуская синтез. Тепло от этого синтеза поддерживает реакцию до тех пор, пока не закончится топливо или она не станет односторонней и не остановится.
Аэрофотоснимок Национального центра показывает, что он размером с три футбольных поля.
Сама установка в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса имеет размер трех футбольных полей.
Все на Земле состоит из крошечных атомов, каждый из которых состоит из центрального ядра и облака отрицательно заряженных электронов. Ядро состоит из нейтронов и положительно заряженных протонов. Чем больше протонов в ядре, тем тяжелее элемент.
Водород обычно имеет один протон и один электрон. Необычная разновидность, называемая дейтерием, также имеет нейтрон, и, используя ядерные реакторы или термоядерные реакторы, вы можете получить третью разновидность, называемую тритием, с двумя нейтронами.
Химические реакции, такие как ржавление железа или горение дерева, происходят, когда эти положительные и электрические заряды вызывают взаимодействие атомов. Для сравнения, ядерные реакции происходят, когда ядра атомов расщепляются или соединяются. Здесь, на Земле, труднее мобилизовать силы, необходимые для осуществления ядерных реакций, поэтому проще создать паровой двигатель, чем ядерную бомбу.
Когда вы нагреваете атомы достаточно, они становятся настолько энергичными, что электроны отрываются. Образовавшееся облако отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных ядер называется плазмой, более экзотическим состоянием материи, чем твердые тела, жидкости и газы, к которым мы привыкли при комнатной температуре здесь, на Земле.
Солнце состоит из плазмы, и термоядерные реакторы тоже нуждаются в ней, чтобы заставить эти ядра водорода прыгать достаточно энергично. Удобным свойством плазмы является то, что ее электрически заряженными частицами можно управлять с помощью магнитных полей. Это имеет решающее значение для многих конструкций термоядерных реакторов.
Что вы используете в качестве термоядерного топлива?
NIF и большинство других термоядерных проектов используют две тяжелые версии водорода, дейтерий и тритий, называемые DT-топливом. Но есть и другие варианты, в том числе водород-бор и дейтерий-гелий-3, форма гелия только с одним нейтроном вместо более распространенных двух.
Чтобы заставить дейтерий и тритий слиться, вам нужно нагреть плазму до колоссальной температуры около 100 миллионов градусов по Цельсию (180 миллионов градусов по Фаренгейту). Другие реакции еще выше, например около миллиарда градусов для водородно-борного синтеза.
Дейтерий можно отфильтровать из обычной воды, но тритий, который радиоактивно распадается в течение нескольких лет, найти труднее. Его можно производить в ядерных реакторах и, в принципе, в будущих термоядерных реакторах. Однако управлять тритием сложно, потому что он используется для ускорения взрывов ядерного оружия и поэтому тщательно контролируется.
Как превратить эту реакцию синтеза в силу?
Реакция синтеза дейтерия и трития производит быстро движущиеся одиночные нейтроны. Их кинетическая энергия может быть захвачена «одеялом» из жидкости, которая окружает камеру термоядерного реактора и нагревается при столкновении нейтронов.
Затем это тепло передается воде, которая кипит и приводит в действие обычные паровые турбины. Эта технология хорошо изучена, но никто еще не реализовал ее в термоядерном реакторе.
Чем синтез отличается от деления?
Деление, которое питает сегодняшние ядерные реакторы, является противоположностью синтезу. При делении тяжелые элементы, такие как уран, распадаются на более легкие элементы, высвобождая при этом энергию.
На протяжении десятилетий люди могли осуществлять термоядерный синтез с помощью термоядерного оружия. Эти конструкции сталкивают такие материалы, как уран или плутоний, чтобы вызвать взрыв деления, и это обеспечивает огромную энергию, необходимую для запуска вторичной и более мощной реакции синтеза.
В бомбах процесс происходит за доли секунды, но для производства энергии синтез должен контролироваться и поддерживаться.
Создают ли термоядерные реакторы радиоактивные отходы?
Да, в целом, но это не так проблематично, как с ядерными реакторами. Во-первых, большая часть радиоактивных выбросов — это короткоживущие альфа-частицы — ядра гелия с парой протонов и парой нейтронов — которые легко блокируются. Быстро движущиеся нейтроны могут сталкиваться с другими материалами и создавать другие радиоактивные материалы.
Выход нейтронов термоядерных реакторов обычно приводит к деградации компонентов, что требует периодической замены, что может потребовать простоя продолжительностью, возможно, несколько месяцев каждые несколько лет. Однако это гораздо проще , чем работать с высокоактивными ядерными отходами атомных электростанций.
Водородно-борный синтез труднее осуществить, чем дейтериево-тритиевый, но часть его привлекательности заключается в том, что он не производит никаких нейтронов и сопутствующих радиоактивных материалов. Наиболее известной компанией, использующей этот подход, является TAE Technologies.
Каковы риски безопасности термоядерной энергии?
Термоядерные электростанции не имеют рисков расплавления, которые вызывали проблемы с ядерными реакторами, такими как Фукусима и Чернобыль. Когда реакция синтеза идет наперекосяк, она просто выдыхается.
Но по-прежнему существуют серьезные эксплуатационные проблемы, с которыми вы столкнетесь на крупных промышленных объектах, в том числе большое количество электроэнергии и пара высокого давления. Другими словами, большие проблемы больше похожи на те, которые вы найдете на промышленной площадке, чем на одной из сегодняшних атомных электростанций.
Так что у слияния есть реальные преимущества. И NIF помогает показать, что у термоядерной энергетики есть будущее. Но впереди еще очень долгий путь.
