В воскресенье, Financial Times объявила о прорыве, который многие считали невозможным еще несколько десятилетий. Эта невероятная новость заключалась в том, что Национальный комплекс зажигания (NIF) достиг положительного баланса энергии в эксперименте с термоядерным синтезом, став первой организацией, добившейся этого удивительного результата, и, тем самым, наконец, освободил этот спасительный для планеты источник энергии. Но означает ли это, что вскоре мы увидим электростанции на основе термоядерного синтеза? Или нам придется подождать немного дольше до наступления нашего утопического будущего на энергии синтеза?
Прежде чем мы погрузимся в этот невероятный прорыв, давайте быстро вспомним, что такое синтез и как работает NIF.
Термоядерный синтез — это процесс, который питает Солнце. Солнце состоит в основном из водорода, и в его ядре температура и давление настолько высоки, что столкновения между атомами водорода обладают достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть силы отталкивания, удерживающие атомы на расстоянии. Эти столкновения приводят к тому, что два атома водорода сливаются в один, более крупный атом гелия, но поскольку атом гелия немного легче, чем два атома водорода (поскольку ему требуется меньше глюонов в ядре), эта избыточная масса превращается в энергию и высвобождается. Как сказал Эйнштейн в своем знаменитом уравнении E=MC², небольшое количество массы эквивалентно огромному количеству энергии. Это означает, что одна реакция синтеза выделяет огромное количество энергии в виде излучения и тепла.
Чтобы дать вам представление о том, насколько мощен термоядерный синтез, представьте, что если бы вы слили 17 тонн водорода, выделенной энергии хватило бы на то, чтобы обеспечить всю США энергией на год. Это эквивалентно всего 0,05 грамма водорода на одного гражданина США! Более того, гелий является единственным газом, выделяемым в процессе. Это невероятное топливное экономичное и нулевое углеродное выбросы делает энергию синтеза одним из самых экологически чистых источников энергии на Земле.
К сожалению, наши реакторы синтеза используют больше энергии на нагрев и сжатие водорода, чем получают от самих реакций синтеза, и поэтому эта невероятная технология была недоступна нам на протяжении десятилетий.
У нас есть много разных конструкций реакторов синтеза, которые пытались решить эту проблему, и NIF является одной из самых простых. Он использует невероятно мощный лазер, который направляется на капсулу, содержащую водород, находящуюся в золотом трубчатом контейнере. Лазер испаряет водород с невероятной скоростью. Водород превращается в плазму, которая затем взаимодействует с золотым контейнером, создавая мощное рентгеновское излучение, которое удерживает водородную плазму внутри. Затем температура и давление водородной плазмы резко увеличиваются, и начинается синтез.
5 декабря 2022 года инженеры NIF подготовились к запуску лазера мощностью 2,05 мегаджоуля в камеру реактора, как они делали это тысячи раз до этого. Однако, на этот раз, вместо незначительного количества возвращенной энергии, они увидели внушительные 3,15 мегаджоуля энергии, излучаемой из машины. Это первый раз, когда человечество создало положительный баланс энергии от реакции синтеза. Более того, это не незначительное достижение, поскольку чистый прирост энергии составил около 54%, а общая эффективность системы — 154%!
Теперь, 1,1 мегаджоуля, созданный в этом эксперименте, эквивалентен 0,3 кВтч, чего достаточно, чтобы зарядить Tesla Model 3 на 0,6%. Таким образом, фактически было произведено не так много энергии. Однако это все равно является колоссальным достижением, так как оно доказывает, что энергия термоядерного синтеза возможна!
Но как NIF удалось этого добиться? Еще несколько лет назад они фиксировали чистые потери энергии около 80% в каждой реакции. Значительные успехи были достигнуты в 2021 году, когда им удалось снизить потери до 30%, что эквивалентно общей эффективности в 70%. Это был рекорд на тот момент и значительно опережал все другие достижения. Так как же они более чем удвоили эту эффективность, чтобы достичь нового рекорда чистого прироста энергии?
К сожалению, пока мы не знаем точно, так как NIF еще не подтвердил, что они сделали по-другому. Но у нас есть несколько признаков того, как они этого добились, и я даже использовал эти данные для прогнозирования этого самого эксперимента в статье несколько недель назад!
Недавно NIF обнаружил, что сделало возможным достижение рекорда в 2021 году. Как оказалось, определенная настройка лазера, капсулы и контейнера может создать "горящую плазму", которая появилась в эксперименте 2021 года. Горящая плазма — это когда энергия от реакции синтеза удерживается в водородной плазме, нагревая ее, вызывая еще больше синтеза и делая общую реакцию гораздо более эффективной. Недавно NIF нашел способ настроить реактор так, чтобы надежно создавать условия горящей плазмы. Однако этого недостаточно, чтобы добиться положительного баланса энергии.
С момента написания статьи Nature подтвердила, что изменения горящей плазмы были частью этого эксперимента
NIF также экспериментировал с использованием сильного магнитного поля для лучшего удержания водородной плазмы. Плазмы могут перемещаться и манипулироваться с помощью магнитных полей. Таким образом, наложив мощное магнитное поле на капсулу с водородом, NIF может создать внутреннюю силу вокруг образующейся водородной плазмы, что еще больше увеличит давление и поможет поддерживать самонагревание. NIF экспериментировал с этой установкой на нескольких экспериментах с низкой энергией и обнаружил, что с магнитным полем реакция возвращает значительно больше энергии, чем без него. В статье, написанной несколько недель назад (прочитайте ее здесь), я экстраполировал эти результаты на полную мощность эксперимента и обнаружил, что этот магнитный усилитель может помочь NIF достичь эффективности в 140%. Это удивительно близко к недавнему результату, учитывая, насколько грубыми были мои расчеты, что говорит о том, что горящая плазма и магнитная установка позволили достичь этого поразительного прорыва.
Но достаточно ли этого, чтобы разблокировать настоящую, пригодную для использования энергию синтеза? Скорее всего, пока нет.
NIF не был спроектирован как термоядерная электростанция. Переоборудование реактора и повторный запуск занимают много времени, и при производстве всего 0,3 кВтч за одну реакцию ему будет трудно обеспечить даже один дом энергией. NIF необходимо будет переработать, чтобы он стал намного больше, мощнее, надежнее и чаще запускался, чтобы производить значительное количество энергии.
Кроме того, наши технологии захвата энергии пока не на должном уровне. Например, системы захвата энергии традиционных ядерных реакторов, которые превращают тепло ядерных реакций в электричество, обладают термической эффективностью только до 40%. NIF также выделяет энергию в виде тепла, но использование такой системы захвата энергии означало бы, что электричество, которое она может произвести, будет значительно меньше, чем энергия, введенная в систему. Безусловно, у нас есть несколько кандидатов на более эффективные методы, такие как турбины с диоксидом углерода или твердотельные системы, но их нужно будет усовершенствовать и развить, чтобы достигнуть термической эффективности до 90%, чтобы сделать пригодную для использования термоядерную электростанцию на основе NIF.
К счастью, эти проблемы гораздо проще решить, чем добиться положительного баланса энергии от реакции синтеза, поэтому их решение не станет большой проблемой. NIF также будет совершенствовать свою текущую технологию и дальше увеличивать выход энергии от своих реакций, что сделает эти вопросы еще проще решаемыми. Таким образом, вполне вероятно, что замечательная технология NIF приведет к созданию термоядерной электростанции примерно через десятилетие. Это означает, что наша утопия на энергии синтеза может стать реальностью гораздо раньше, чем мы считали возможным, и, в свою очередь, замедлить изменение климата. Таким образом, этот прорыв может стать одним из самых значительных в истории человечества.