В научном сообществе давно прижилась шутка о том, что до появления коммерческого термоядерного синтеза всегда остаётся около тридцати или пятидесяти лет. Первые подобные прогнозы учёные давали ещё в 1960-х и 1980-х годах, обещая «обуздать энергию звёзд» к 2010-м годам. Несмотря на то, что эти сроки давно прошли, за последние два десятилетия физики совершили колоссальный рывок в исследованиях, увеличив выход энергии, усовершенствовав оборудование и даже добившись термоядерного зажигания в лабораторных условиях. Главный вопрос сегодня заключается не в том, можно ли воссоздать этот процесс на Земле, а в том, как поддерживать его непрерывно и эффективно.
По словам Майка Кэмпбелла (Mike Campbell), директора Ливерморского института термоядерных технологий при Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, человечеству предстоит пройти огромный путь. Хотя американская установка управляемого термоядерного синтеза NIF (National Ignition Facility) уже более десяти раз успешно продемонстрировала термоядерное зажигание — состояние, при котором реакция выделяет больше энергии, чем тратится на её запуск лазерами, — она создавалась для оборонных экспериментов, а не для коммерческой генерации электричества. На сегодняшний день ни один другой научный комплекс в мире не приблизился к результатам NIF по чистому приросту энергии или удержанию горящей плазмы. Учёным необходимо научиться контролировать вещество в условиях более экстремальных, чем в ядре Солнца.
Заместитель директора отдела физики высоких плотностей энергии Национальной ускорительной лаборатории SLAC Сигэки Цукамото (Shigeki Tsukamoto) отмечает, что ключевым барьером на пути к реактору является материаловедение. Инженерам необходимо создать компоненты, способные годами выдерживать чудовищное радиационное и тепловое воздействие. Это касается как внутренних стенок термоядерных реакторов типа «токамак» (установок в форме пончика, где плазма удерживается магнитным полем), так и лазерной оптики. К примеру, лазеры на установке NIF сейчас работают с частотой от 1 до 3 вспышек в день, тогда как коммерческой электростанции потребуется совершать около 10 в секунду. Это создаёт огромные трудности для массового производства идеальных мишеней с топливом и утилизации образующихся обломков.
Помимо инженерных трудностей, физики до сих пор не имеют полного представления о поведении плазмы после перехода в режим саморазогрева. Профессор Цукамото подчёркивает, что академической науке и частным компаниям не хватает новых высокоточных методов измерений для проверки теоретических моделей, описывающих турбулентность и гидродинамическую нестабильность при сжатии топливных капсул. Кроме того, на практике ещё ни разу не демонстрировались необходимые для коммерческих станций темпы и эффективность воспроизводства, извлечения и переработки трития — сверхтяжёлого и редкого радиоактивного изотопа водорода, который служит топливом для реактора.
Амир Карим (Amir Karim), основатель и генеральный директор американского ядерного стартапа Terra Fusion, добавляет, что внедрение термоядерных технологий исторически тормозилось не столько физикой, сколько дефицитом и нестабильностью финансирования. До недавнего времени разработка систем финансировалась почти исключительно государствами, причём выделение средств зависело от «политических ветров», а не от научных успехов. Во время периодов сокращения бюджетов многие специалисты уходили в другие сферы и больше не возвращались, что привело к потере огромного количества практического опыта во всём мировом сообществе.
Сейчас ситуация меняется: основным источником финансирования на Западе стал частный капитал, а в мире появилось более 50 коммерческих термоядерных компаний. Карим прогнозирует, что в ближайшие несколько лет разработчики магнитных систем удержания плазмы объявят о достижении рубежа "Scientific Q > 1" — научной эффективности, когда сама плазма выделяет больше энергии, чем в неё закачивается. Следующей важнейшей вехой в течение ближайших 10 лет должно стать достижение инженерной эффективности ("Engineering Q > 1"), которая учитывает потери энергии во всём сопутствующем оборудовании станции. Только после этого начнётся полноценное развёртывание термоядерной энергетики.
Развитие технологий сейчас идёт строго пропорционально объёму выделяемых ресурсов: государственная поддержка и приток частных инвестиций способны значительно сократить путь к цели. Преодоление материаловедческих и инженерных барьеров позволит получить практически неиссякаемый, углеродно-нейтральный и безопасный источник энергии, который навсегда решит проблему глобального энергетического кризиса.