5 декабря 2022г. впервые в истории человечества ученые получили чистый прирост энергии реакции термоядерного синтеза. Почему это событие ознаменовало приход новой эры? И сколько времени отделяет мир от перехода на дешевую и безопасную энергию? Об этом может рассказать Николай Колачевский, член-корреспондент РАН и директор института ФИАН. Идея об инерциальном синтезе (один из видов термоядерного синтеза, при котором топливо удерживается собственными силами инерции) была сформулирована еще в 60-х годах Николаем Басовым и Александром Прохоровым. Лазерные пучки фокусируются на микроскопическую мишень, обжимают ее и образуют подобие микро термоядерной бомбы. Затем происходит освобождение положительной энергии, в этом и заключается идея мирной термоядерной реакции. К этому человечество шло очень долго и сегодня появились первые признаки, что эта теория реализуема. Желание ученых заключалось в том, чтобы энергетический выход, который получается в результате фокусировки излучения на мишени, был больше, чем вложенная энергия. И впервые было показано, что в управляемом термоядерном синтезе можно получать нужный положительный баланс энергии.
Термоядерный синтез является той реакцией, которая зажигает звезды, без которой не было бы тепла и самой жизни. Изначально все звезды состояли из водорода, протон сталкивался с протоном, образуя гелий. В термоядерном синтезе при этом получается добавленная энергия. Самый простой и легкий способ получить положительный энергетический выход – слить ядро дейтерия изотопа водорода, которого очень много в природе (океаны частично состоят из дейтерия). Свет звезд и взрыв термоядерных бомб имеют примерно одинаковый принцип запуска. Человечество всегда очень хотело подчинить себе эту реакцию. Хотя сама по себе она достаточно простая, осуществить ее нелегко. Необходимо строить сложнейшие конструкции и установки размером с заводы. Например, длина реактора NIF – 150 метров, ширина – 90 метров, а высота равна семиэтажному дому. Мирный атом покорился ученым очень быстро, уже в 60-х годах работали ядерные реакторы на реакции распада, когда тяжелое ядро под потоком нейтронов разваливается и выделяется дополнительная энергия. Казалось бы, все достаточно просто: выкладываются слои урана, слои замедлителя (графита или воды), получается тепло. Но природа поставила барьер для людей, чтобы такая несложная реакция синтеза была затруднена. Подойти к этому можно с философской точки зрения. Природа легко сумела самостоятельно создать термоядерные реакции, например, во время вспышек сверхновых. Люди же с трудом пытаются воспроизвести на Земле процесс подобный звездообразованию.
В реакторе National Ignition Facility было в 15 раз жарче, чем в центре солнечного ядра. А давление превышало показатели вдвое. Существует целая область науки об экстремальных состояниях вещества (либо очень горячее, либо очень сжатое). Ученые долго работали над подобными экспериментами, потому что для управления термоядерным синтезом необходимо достичь давления около десятков мбар, и температуры примерно 50 млн С. Основная проблема лазерного термоядерного синтеза в том, что время, отведенное на получение нужной энергии – десятки пикосекунд. Суть прорыва экспериментов в Ливерморе в том, что для запуска синтеза потребовалось 2 млн. Дж энергии, полученных в результате 3 млн. Дж. Впервые в истории была преодолена точка безубыточности (breakeven), которая достигается, когда энергия, выделяемая реакцией термоядерного синтеза, равна количеству энергии, используемой для поддержания этой реакции. Но тем не менее результат оказался в сто раз меньше, чем было потрачено энергии на создание нужных лазерных пучков. В чистых расчетах эксперимент считается убыточным. Но при этом был преодолен значимый психологический барьер. Основная проблема глобальных исследований состояла в разнице бумажных расчетов и реальности. Казалось бы, насколько просто одновременно сферически обжать шарик, а практика показывает, что если, например, делать это несимметрично, то полученная плотность будет значительно меньше ожидаемой. При эксперименте с реактором NIF чистой энергии хватило бы на то, чтобы вскипятить десять чайников. Считается ли это слишком скромным эффектом для данной сенсации? С точки зрения ученого сообщества это прорыв, учитывая то, что их в последнее время стало не так уж много (в 60-е годы результаты сыпались, как из рога изобилия). Со стороны бытовой жизни пока нужно воздержаться от бурной радости, так как для необходимого баланса предстоит длинный путь. Если предположить, что будет сделан токамак и лазерный управляемый синтез, и каждую секунду будет происходить выделение энергии, никуда не исчезнут проблемы съема. Насколько возможно сделать стабильную и безопасную установку, говоря о ядерных и радиоактивных отходах, пока непонятно. Лазерная система более прогрессивна в этом плане, так как лазер можно поставить на удалении, а вокруг мишени создать инфраструктуру для съема энергии. Но все же с точки зрения науки, а также оборонных разработок, которые ведутся прогрессивными странами, сейчас достигнут очень важный шаг.
Кроме того, Николай Колачевский подробно рассказал, какие изменения принесет в мир звездная энергия. И ответил на вопросы, в чем уникальность первого токамака и почему он соперничает со стелларатором? Какая самая острая проблема Земли решится с появлением неисчерпаемого источника энергии? Можно ли превратить удачный эксперимент в доступную всем технологию? Что ожидают от проекта ITER? И каким станет реактор будущего?
Как вы считаете, насколько далеко можно позволить ученым продвинуться в изучении термоядерного синтеза? В каких областях применять полученные знания, а в каких категорически нет? Оставляйте свои мнения в комментариях.
