В ходе эксперимента в Ливерморской национальной лаборатории имени Эрнеста Лоуренса впервые в истории во время реакции термоядерного синтеза количество полученной энергии превысило потраченную энергию. Этот успех открывает новый этап на пути к термоядерной энергетике.
Термоядерный синтез кажется бесконечно привлекательной идеей, ведь вступление в реакцию синтеза одного грамма изотопов водорода дает столько же энергии, сколько сгорание десяти тонн бензина. Дейтерий, содержащийся в одном стакане воды, с добавлением небольшого количества трития мог бы снабжать энергией дом в течение года. Но чтобы овладеть таким источником энергии, нужно преодолеть очень серьезное препятствие. Чтобы два атомных ядра слились в одно более тяжелое, они должны сблизиться. Этому препятствует электрическое отталкивание, поскольку ядра имеют одинаковый (положительный) электрический заряд. В результате синтез наступает в очень сильно разогретом веществе, где тепловая энергия частиц достаточно велика, чтобы преодолеть это отталкивание. Самые успешные термоядерные энергетические установки — Солнце и другие звезды, где с высокой температурой проблем нет. Но как такой температуры достичь на Земле?
Проще всего использовать для разогревания вещества энергию ядерного взрыва. Именно так устроена водородная бомба: сначала взрывается ядерный заряд, он вызывает разогрев смеси дейтерия и трития, и происходит термоядерный взрыв. Но электростанцию из водородной бомбы не сделать, так что требуется управляемая термоядерная реакция. Предложены разные способы ее получения. Например, установки, где вещество нагревается электрическим током и удерживается магнитным полем. Среди них реакторы типа ТОКАМАК (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками). Альтернативный метод — инерционный термоядерный синтез. Если очень быстро нагреть малый объем вещества до достаточной температуры, реакции синтеза в нем начнутся раньше, чем оно разлетится от теплового движения и остынет. В данном случае вещество удерживается не магнитным полем, а лишь собственной инерцией.
В начале 1960-х годов Н.Г. Басов и О.Н. Крохин предложили использовать для нагрева и сжатия смеси дейтерия и трития в инерционном синтезе лазерное излучение. Первые эксперименты по лазерному термоядерному синтезу велись в СССР учеными Физического института Академии наук и Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики.
Лазерный инерционный синтез применяется и в центре лазерных термоядерных реакций National Ignition Facility (NIF) Ливерморской национальной лаборатории, где прошел недавний эксперимент. Мишень в устройстве для инерционного синтеза NIF представляет собой охлажденную до состояния льда смесь дейтерия и трития. Диаметр сферической мишени — около двух миллиметров. Контейнер, окружающий мишень, называется хольраум (нем. Hohlraum — полость, пустота). Он представляет собой небольшой урановый цилиндр, покрытый слоем золота. После того как срабатывают мощные лазеры, хольраум испаряется, направляя на мишень мощное рентгеновское излучение. Мишень сжимается под воздействием этого излучения до огромной плотности и разогревается до температуры около 10 миллионов градусов. В результате начинается реакция термоядерного синтеза, такая же, как на Солнце: D + T → 4He + n. С вылетающими свободными нейтронами выделяется энергия. Описание очень простое, но добиться того, чтобы выделяемая энергия была больше, чем энергия, затраченная на нагрев хольраума, долгое время не удавалось.
Крупный успех пришел в сентябре 2013 года, когда количество выделенной мишенью энергии превысило количество поглощенной. Но это был лишь один шаг вперед, ведь затраты энергии в установке термоядерного синтеза не ограничиваются той энергией, что передается мишени. Энергия теряется и при накачке лазеров, и при переходе лазерного излучения в рентгеновское, и т. д. До мишени доходит не более 20 % энергии лазеров. В эксперименте 2013 года затраты составили 1,8 мегаджоуля, тогда как выделилось всего 14 килоджоулей, то есть в 128 раз меньше. Чтобы добиться положительного баланса энергии, потребовалось еще девять лет.
Новый — и уже куда более серьезный — успех был достигнут в эксперименте 5 декабря нынешнего года (но официальное сообщение о нем было сделано только вчера). В ходе эксперимента было затрачено 2,05 мегаджоуля, тогда как полученная энергия составила около 3,15 мегаджоуля. Сообщается, что энергии было получено больше, чем рассчитывали, что привело к повреждению диагностического оборудования.
Ученые признают, что пройдет еще много времени, прежде чем энергия термоядерного синтеза получит широкое применение. Предстоит научиться собирать полученную при синтезе энергию и передавать ее по сетям. Необходимо также снизить стоимость процесса (стоимость нынешнего эксперимента составила 3,5 млрд долларов). «Что касается сроков коммерциализации, — сказала директор Ливерморской лаборатории Ким Бадил (Kim Budil), — это, вероятно, десятилетия, но не пять-шесть десятилетий, как говорили раньше».
Тем не менее министр энергетики США Дженнифер Грэнхольм уже назвала успех NIF историческим достижением в области ядерного синтеза, которое «по существу открыло совершенно новый источник чистой энергии».