14 декабря 2022 г
Ученые только что объявили о прорыве в воспламенении ядерного синтеза: впервые сердце мощного термоядерного реактора на короткое время выработало больше энергии, чем было вложено в него. Но эксперты призывают к осторожности, говоря, что прорыв, хотя и чрезвычайно значительный, все еще далек от безопасной, безграничной ядерной энергии.
Во вторник (13 декабря) физики из финансируемого правительством США Национального центра воспламенения (NIF) Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии объявили, что им удалось запустить лазер, выделяющий примерно 2 мегаджоуля энергии, в крошечную топливную таблетку, состоящую из двух изотопов водорода, превратив атомы в плазму и произведя 3 мегаджоуля энергии — увеличение на 50%.
Ученые очень взволнованы результатами, но опасаются их преувеличения. Реактор в целом не давал чистого прироста энергии. Чтобы термоядерная реакция была практически полезной, десятки мегаджоулей, извлекаемых из электрической сети, преобразуемых в лазерные лучи и запускаемых в активную зону реактора, должны быть значительно меньше энергии, выделяемой из плазмы.
Но новая веха зажигания плазмы учитывает только поступление лазерной энергии и выход плазменной энергии, а не значительные потери при преобразовании электричества в свет.
Более того, реакция происходит в крошечной топливной таблетке внутри самого большого в мире лазера, длится всего несколько миллиардных долей секунды и может повторяться только каждые шесть часов. Это делает реакцию слишком неэффективной для практических целей.
"Чистый прирост энергии является важной вехой, но в перспективе это означает, что термоядерный синтез сейчас находится там, где Ферми поставил деление около восьмидесяти лет назад", - сказал Иэн Лоу, физик и почетный профессор Университета Гриффита в Австралии, в интервью Live Science. "Огромная техническая проблема заключается в поддержании массы плазмы при температуре в несколько миллионов градусов для обеспечения синтеза, при этом выделяя достаточно тепла для получения полезной энергии. Я до сих пор не видел достоверной принципиальной схемы термоядерного реактора, который достиг бы этой цели ".
Как работают термоядерные реакторы
Существующие термоядерные реакторы можно разделить на две большие категории: реакторы с инерционным удержанием, такие как NIF, которые содержат горячую плазму с помощью лазеров или пучков частиц, и реакторы с магнитным удержанием, такие как базирующийся в Великобритании объединенный европейский реактор Torus (JET), предстоящий европейский международный экспериментальный термоядерный реактор (ИТЭР) и Китайский экспериментальный сверхпроводящий токамак (ВОСТОК), который лепит плазму в различные формы тора с помощью сильных магнитных полей. На ИТЭР поле, ограничивающее горящую плазму, будет в 280 000 раз сильнее, чем вокруг Земли.
Различные типы реакторов отражают различные стратегии преодоления пугающих технических барьеров термоядерного синтеза. Реакторы с магнитным удержанием, известные как токамаки, предназначены для поддержания непрерывного горения плазмы в течение длительных периодов времени (цель ITER - делать это до 400 секунд). Но, несмотря на то, что токамаки становятся все ближе, им еще предстоит получить чистый прирост энергии от своей плазмы.
С другой стороны, инерциальные системы удержания, такие как реактор NIF, который также используется для испытаний термоядерных взрывов в военных целях, генерируют всплески энергии, быстро сжигая один крошечный кусочек топлива за другим. Однако это топливо поставляется в виде отдельных гранул, и ученым еще предстоит выяснить, как заменить их достаточно быстро, чтобы поддерживать реакцию дольше, чем мельчайшую долю секунды.
"Это очень, очень сложно, потому что это означало бы, что вам нужно разместить следующую таблетку в течение того времени, пока облако [плазмы] расширяется в сосуде", - сказал Ив Мартин, заместитель директора Швейцарского центра плазмы при Федеральной политехнической школе Лозанны в Швейцарии, в интервью Live Science. "Эта гранула обычно имеет один миллиметр [0,04 дюйма] в диаметре, и ее нужно разместить в комнате диаметром девять метров [30 футов]. Насколько я знаю, это все еще стоит несколько десятков тысяч долларов [для запуска реакции]. Чтобы быть интересным, он должен снизиться до одного доллара или даже меньше ".
Очень дорогой изотоп
Другой проблемой для термоядерных реакторов является сокращение запасов трития, ключевого изотопа, который в сочетании с дейтерием используется в качестве топлива для реакции. Когда-то обычный и нежелательный побочный продукт испытаний ядерного оружия под открытым небом и ядерного деления, при котором атомы расщепляются вместо их объединения и образуется гораздо больше радиоактивных отходов, период полураспада трития составляет 12,3 года, что означает, что большая часть его существующих запасов уже на пути к непригодности, что делает его одним из самых опасных и дорогих веществ на Земле по цене 30 000 долларов за грамм (открывается в новой вкладке).
Физики предложили другие методы получения трития, такие как разведение его внутри ядерных реакторов, которые улавливают случайные нейтроны. Но, помимо некоторых экспериментов меньшего масштаба, быстро растущие затраты означали, что планы по тестированию разведения трития на ИТЭР пришлось отменить.
Исследователи термоядерного синтеза считают, что, если удастся найти политическую волю и решить инженерные проблемы, первые жизнеспособные термоядерные реакторы могут быть введены в эксплуатацию уже в 2040 году. Но это все еще слишком поздно на десять лет, чтобы удержать глобальное потепление ниже целевого уровня в 1,5 градуса по Цельсию (2,7 градуса по Фаренгейту) к 2030 году.
"Лица, принимающие решения, стремятся к святому граалю чистой энергии из изобильных ресурсов", - сказал Лоу. "Потратив миллиарды на исследования в области термоядерного синтеза, они очень неохотно сдаются, точно так же, как десятилетиями гонялись за фантазией о реакторе-размножителе [реакторе деления, который вырабатывает больше энергии, чем потребляет]".
Тем не менее, в последние годы наблюдается постоянное совершенствование технологии термоядерного синтеза. К ним относятся успешное испытание ИИ для управления плазмой внутри токамака; множество рекордов по выработке электроэнергии, времени горения плазмы и температуре реактора в ходе многочисленных экспериментов; и переписывание основополагающего правила, которое может позволить будущим реакторам вырабатывать в два раза больше энергии. В свете этих достижений ученые, занимающиеся термоядерным синтезом, настаивают на том, что необходимы многочисленные стратегии для долгосрочного решения климатического кризиса и что термоядерный синтез станет жизненно важным компонентом будущей безуглеродной энергетической системы.
"Если бы мы хотели полагаться только на возобновляемые источники энергии, нам понадобился бы такой избыток установок, чтобы иметь количество энергии, которое вам обычно требуется зимой или в период безветрия. Нам нужно что-то, что будет базовым уровнем, который будет производить именно то, что вы хотите ", - сказал Мартин. "Я не потому, что я верю в термоядерный синтез, что я не буду устанавливать солнечные панели на своей крыше. В некотором смысле нам действительно нужно использовать все, что лучше ископаемого топлива ".