Несколько дней назад Южнокорейская исследовательская установка суперпроводящего токамака (KSTAR) побила свой собственный рекорд, поддерживая температуру в 100 миллионов градусов Цельсия в течение удивительных 48 секунд! Для понимания масштаба: это в 17,857 раз горячее, чем поверхность Солнца, и почти в 7 раз горячее, чем ядро Солнца! Предыдущий рекорд KSTAR 2021 года был на ту же температуру, но всего на 31 секунду, так что это значительный шаг вперед. Но вопрос остается: приближает ли это нас к освоению идеального источника чистой энергии — термоядерного синтеза? Да, приближает; позвольте объяснить.
Давайте начнем с того, что такое синтез и почему он может быть таким революционным.
Термоядерный синтез — это процесс, который питает Солнце. В его ядре температуры настолько высоки, а давление такое интенсивное, что атомы водорода имеют достаточно кинетической энергии, чтобы преодолеть отталкивающую силу, которая держит их раздельно, и сливаются в один больший атом гелия при столкновении. Гелий немного легче двух атомов водорода, поэтому немного массы остается свободной в виде субатомных частиц. Эти частицы физически не могут существовать без присоединения к протонам или нейтронам, поэтому они превращаются в энергию и излучаются наружу. Если вы обращали внимание на уроках физики, то помните, что знаменитое уравнение Эйнштейна E=MC² означает, что крошечное количество материи равносильно огромному количеству энергии!
Таким образом, один кг водорода может произвести 177,717 МВт*ч энергии через синтез, что в 7.9 раз больше, чем кг чистого урана-235 производит через деление или в 14.8 миллионов раз больше энергии, чем кг бензина через сгорание! Но, в отличие от урана или бензина, синтез не производит радиоактивных отходов или выбросов, разрушающих климат. Единственным побочным продуктом является ценный нерадиоактивный гелиевый газ.
Если мы сможем воспроизвести Солнце и использовать этот процесс, мы сможем обеспечить весь мир обильным количеством углеродно-нейтральной энергии из всего лишь нескольких сотен тонн водорода в год.
Но вот проблема: реакторы синтеза, которые мы создали до сих пор, использовали больше энергии для генерации синтеза, чем производили из синтеза, делая их бесполезными как источники энергии.
Теперь, KSTAR — это реактор синтеза типа токамак. Эта конструкция использует камеру реакции в форме пончика и примерно такого же размера, как большой автомобиль, окруженную сверхпроводящими электромагнитами. В камеру закачивается водородная плазма, и поскольку она реагирует на магнитные поля, магниты нагревают ее индукцией (так же, как индукционная плита нагревает сковороды) и сжимают ее. Эти магниты не могут воссоздать такое же давление, как в ядре Солнца, поэтому для достижения уровня кинетической энергии, необходимой для синтеза, плазма должна быть значительно горячее, чем ядро Солнца.
Как вы можете представить, управлять такой горячей плазмой в таком ограниченном пространстве невероятно сложно. Не только потому, что эта плазма может серьезно повредить стенки реактора, если что-то пойдет не так, но и из-за того, что плохо управляемая плазма может иметь большие потери через нестабильность и турбулентность, которые могут быстро охладить плазму, делая невозможным достижение чистой прибыли в энергии.
Так как KSTAR смог достичь такой рекордной длительности синтеза? Они отточили свои методы управления плазмой за годы и недавно обновили реактор, заменив углеродные "диверторы" на вольфрамовые. Эти устройства извлекают тепло и нежелательные побочные продукты из камеры реакции, и вольфрам делает это эффективнее углерода, что позволяет держать стенки реактора холоднее и проводить реакции дольше без повреждений.
Ладно, так почему это важно?
KSTAR сам по себе никогда не произведет чистую прибыль энергии. Он слишком мал и недостаточно мощен, чтобы создать "горящую плазму", где энергия одной реакции синтеза сохраняется плазмой, создавая больше реакций синтеза в цепной реакции. Эта горящая плазма — секретный ингредиент, который позволяет этим машинам производить гораздо больше энергии на единицу вложенной энергии. Однако KSTAR — это тестовая платформа для ITER. ITER, который в настоящее время строится во Франции, будет самым большим и мощным токамаком в мире с огромным отрывом. Эти размер и мощность должны позволить ITER производить в десять раз больше энергии от синтеза, чем требуется для его работы, делая ITER жизнеспособным источником энергии! Однако это возможно только если он сможет проводить свои реакционные импульсы достаточно долго. Так что этот прорыв в KSTAR может означать, что ITER может стать первой в мире жизнеспособной термоядерной электростанцией.
Научные сотрудники KSTAR не закончили и планируют довести реактор до удержания температуры в 100 миллионов градусов Цельсия в течение 300 секунд к 2026 году. Более того, ITER не начнет полноценные операции по синтезу до 2035 года. Так что в ближайшем будущем мы, вероятно, увидим еще один огромный скачок вперед от KSTAR, но мы не узнаем, какие последствия эти скачки будут иметь для мира энергии синтеза, как минимум еще десятилетие.
