Долгожданный момент настал, и в мире науки зажглась звезда нового прорыва — управляемый термоядерный синтез. Первый успешный опыт этой масштабной реакции, предсказанной ещё в 1961 году выдающимся советским ученым Николаем Басовым, произошел в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (США).
По сообщению издания The Financial Times американские ученые впервые в декабре 2022 года в результате реакции термоядерного синтеза получили чистый прирост энергии в 35%. По иронии судьбы получив такой ошеломляющий результат аккурат к 100-летнему юбилею Николаая Басова, который праздновался 14 декабря.
На сцене этого захватывающего действия выступает National Ignition Facility (NIF) можно перевести как «Национальная зажигательная лаборатория») это экспериментальная лазерная установка, спроектированная в конце 1990-х годов для достижения управляемого термоядерного синтеза.
В результате эксперимента на лазерной установке NIF-5 было получено 3,15 мегаджоуля термоядерной энергии, при этом на разогрев плазмы была затрачена энергия в 2,05 мегаджоуля. Это событие, произошедшее 5 декабря 2022 года, ознаменовало контролируемый термоядерный синтез на Земле.
Как работает NIF
В отличие от традиционных токамаков, NIFиспользует инерциальный конфайнмент и лазерное обжатие. Это открывает новые горизонты для достижения устойчивого термоядерного синтеза, отходя от традиционных методов.
Процесс начинается с тщательно отточенного танца лазеров. Затравочный импульс "мастер-лазера" расщепляется на 192 луча, каждый из которых, пойдя через 4 усилителя, преобразуется в ультрафиолетовое излучение. Это излучение, благодаря системе фокусировки, с точностью в 10 микрон проходят через боковые окна на термоядерную смесь в хольрауме, разогревая ее за 10 наносекунд до 3 миллионов градусов.
Хольраум, представляющий собой специальную капсулу размерами 10 х 5,5 мм с термоядерной смесью дейтерия и трития, при воздействии мощного импульсного излучения начинает испаряться, и реактивная сила начинает сжимать внутренние слои с термоядерной смесью к центру капсулы.
В течении 2х наносекунд давление в центре хольраума возрастает до 200 миллиардов атмосфер, размер сферы с топливом при этом уменьшается в 30 раз, а плотность термоядерного топлива возрастает до 1000-1300 грамм на кубический сантиметр — примерно в 100 раз плотнее свинца.
В момент максимального сжатия, в разогретой центральной части начинается реакция термоядерного синтеза, распространяясь от центра капсулы к периферии, которая длится всего несколько десятков пикосекунд.
Это похоже на очень-очень маленький взрыв, при котором масса окружающего материала (т.е. инерция внешних слоев гранулы) является тем, что ограничивает термоядерную реакцию, позволяя ей длиться достаточно долго для достижения чистого прироста энергии.
30 июля 2023 года эксперимент провели повторно, причем еще более совершенным способом. NIF-5 повторила свои результаты и добилась еще более высокого выхода энергии, чем в декабре прошлого года.
Ученые давно мечтают о приручении термоядерной энергии. В этом ключевом моменте истории человечества, давайте разберем, почему этот прорыв так важен.
По эффективности и безопасности термоядерная энергия могла бы заменить все другие источники энергии, включая наиболее эффективные сегодня атомные электростанции.
Конечная цель - создать практически неограниченное количество энергии с помощью процесса ядерного синтеза, что позволит человечеству перейти к экономике чистой энергии, свободной от загрязняющих экологию выбросов, необходимости добычи, переработки и последующего сжигания традиционных видов топлива (уголь, газ), добычи ядерного радиоактивного топлива и утилизации радиоактивных отходов при выработке энергии на атомных электростанциях и т.д.
Термоядерную реакцию вполне серьезно можно назвать «святым Граалем» энергетики. Топливом для нее служат доступные человеку изотопы водорода — дейтерия, например, на Земле целый океан, никаких долгоживущих радиоактивных отходов, никаких выбросов парниковых газов — просто мечта.
Но этот Грааль до недавнего времени казался почти недоступным. Для того, чтобы положительно заряженные ядра атомов слились, нужно преодолеть кулоновское отталкивание, нужна сила, которая их сблизит и удержит достаточно долго, чтобы произошла реакция синтеза.
Для запуска слияния ядер изотопов водорода — нужны экстремально высокая температура и давление — как в недрах Солнца. Для термоядерной бомбы такие условия создает бомба плутониевая, которая играет роль запала. Но взрыв водородной бомбы вряд ли можно рассматривать как надежный источник энергии, так как выделяющаяся энергия неконтролируема и разрушительна.
Помимо применённой в NIF-5 технологии инерциального конфайнмента и лазерного обжатия физиками ядерщиками мира также активно велись эксперименты на установках термоядерного синтеза с магнитным удержанием, при котором нагретая плазма удерживается внутри устройства в форме тора, а для удержания плазмы используются магнитные поля. Такие устройства называют токамаками. Каждая страна в том числе и Россия имеют такие установки. Однако пока на токамаках не получилось достичь стабильной и продолжительной управляемой термоядерной реакции с чистым приростом энергии.
Международное сообщество учёных рассчитывает получить результат на базе строящегося, усилиями международного сообщества в Провансе (Франция), близ Марселя, первого в мире международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor). Согласно таймлайна проекта ИТЭР должен дать первую плазму к декабрю 2025 года, а выход на полную мощность запланирован на 2035 год. Надеемся и ждём!
Но наш сегодняшний чемпион —установка NIF, успешный эксперимент на которой открывает новые горизонты для достижения устойчивого термоядерного синтеза, отходя от традиционных методов. Это достижение открывает двери к энергетическому будущему, где исчерпаемые ресурсы уступают место бесконечным возможностям.
Развивая достигнутый успех, учёным ещё придется ответить на множество вопросов и преодолеть множество технических и экономических трудностей, но сегодня можно уверенно сказать, что у человечества появился принципиально новый вариант на пути к «Граалю»!