Управляемый термоядерный синтез – это синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии. Такие реакции происходят в материи, находящейся в состоянии плазмы — горячего ионизированного газа, состоящего из положительных ионов и свободно движущихся электронов.
Одна из самых эффективных реакций термоядерного синтеза, которая доступна в земных условиях, это реакция дейтерий + тритий. В ней ядра дейтерия и трития сливаются, образуя ядро гелия (альфа-частица) и высокоэнергетический нейтрон. Такая реакция даёт значительный выход энергии. Таким образом, если термоядерный синтез удастся управляемо воспроизводить на Земле, будет получено огромное количество чистой, безопасной и доступной энергии.
Однако есть проблема: для запуска реакции слияния двух ядер нужны очень высокие температура и давление – как в недрах звезд, где такие реакции происходят постоянно.
Для термоядерной бомбы такие температуру и давление создаёт ядерная бомба, которая играет роль запала.
А в мирных устройствах, основанных на идее термоядерного синтеза, сейчас самыми перспективными являются два способа сталкивания атомов:
- удержание плазмы при помощи магнитного поля в токамаках;
- импульсный нагрев и инерционное удержание плазмы сверхмощными лазерными пучками.
В обоих типах устройств решаются одни и те же задачи: поддержание нужной плотности и температуры топливной смеси (скажем, смеси дейтерия и трития). Это нужно для того, чтобы чтобы термоядерная реакция успела случиться раньше, чем образовавшаяся в результате нагрева плазма разлетелась в пространстве.
Самая большая из ныне существующих установок инерционного термоядерного синтеза – это калифорнийский институт NIF, National Ignition Facility, что можно приблизительно перевести как “Национальная зажигательная установка”. По своим размерам вся установка больше двух футбольных полей, а мишенью для 192 мощнейших лазеров является так называемый хольраум – полый золотой цилиндр, в котором спрятана топливная камера размером с перчинку, которая в свою очередь, несёт в себе 150 микрограммов смеси дейтерия и трития.
Первый пробный запуск NIF был проведён в 2009 году, однако термоядерную реакцию учёные смогли продемонстрировать только девять лет спустя. До этого проект находился на грани закрытия. Наконец, в эксперименте 5 декабря 2022 года на установке NIF впервые в истории был получен положительный выход энергии в ходе реакции термоядерного синтеза. В результате взрыва удалось получить около 3,15 мегаджоуля энергии, что превысило подведенную лазерами энергию — 2,05 мегаджоуля. Энергии было получено даже больше, чем планировалось, что привело к повреждению диагностического оборудования и усложнило анализ результатов.
При этом для накачки системы лазеров потребовалась энергия, превышающая 400 мегаджоулей. То есть говорить об энергетической эффективности установки инерционного термоядерного синтеза пока рано. Однако большинство принципиальных физических проблем уже преодолено, остались инженерные, технические и коммерческие задачи. Если эти задачи будут решены, в ближайшие десятилетия человечество ждёт неограниченное количество чистой и безопасной термоядерной энергии.