Американским ученым из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии впервые удалось провести контролируемую термоядерную реакцию при которой было выделено больше энергии чем затрачено (с определенными условностями, о которых далее).
Стоимость эксперимента составила 3,5 млрд долларов. Давайте выясним почему этот эксперимент может стать краеугольным камнем энергетической революции человечества, и разберемся "на пальцах" в том, что же такое термоядерная реакция и чем она отличается от ядерной.
Содержание:
Эксперимент, об успехе которого объявили 5 декабря 2022 года заключался в следующем:
-
ученые создали экспериментальный реактор, в котором зону термоядерной реакции должны были разогреть и одновременно изолировать 192 мощных лазерных излучателя;
-
небольшой объем водорода сжали в условную "капсулу" размером с горошину, для того чтобы в результате реакции термоядерного синтеза получить из него дейтерий и тритий (изотопы водорода*);
-
лазерные излучатели направили на капсулу (на самом деле просто сгусток водорода) так, чтобы она оказалась между ними не контактируя с внешней средой. Главная задача лазеров – изолировать и нагреть "капсулу". Изоляция необходима, ведь реакция термоядерного синтеза проходит при температурах превышающих 100 000 000 °С, то есть любое вещество, которое войдет в контакт с зоной синтеза мгновенно испарится;
-
в результате реакции возникает давление, превышающее атмосферное в 100 млрд. раз;
-
после нагревания до нужной температуры и достижения нужного давления запускается процесс термоядерного синтеза (термоядерная реакция), сопровождающийся значительным выделением энергии.
* Изотоп, это один и тот же химический элемент, имеющий разное количество нейтронов на орбите атома, а следовательно разное массовое число.
"Узкие места" этого опыта
Ученые объявили о профиците (положительном балансе эксперимента) исходя из того, что общая мощность излучения всех лазеров составила 2 МДж (Мегаджоулей), а в результате термоядерного синтеза выделилось 3 МДж энергии, то есть в 1,5 раза больше.
Но дьявол кроется в деталях, ведь для того чтобы предварительно зарядить 192 лазерных излучателя и поддерживать работу всего экспериментального реактора в целом, было потрачено 477 МДж энергии. То есть ученые вычислили профицит исходя исключительно из той энергии, которая была направлена на "капсулу" и выделялась ею во время самого эксперимента.
Фактический коэффициент полезного действия (КПД) термоядерной реакции в "Ливерморском эксперименте" едва-едва превышает 0,5%.
Если же оперировать понятными на бытовом уровне числами, то реактор сгенерировал мощность достаточную, чтобы довести до кипения 10-15 двухлитровых чайников воды. Сопоставив данный результат с потраченными на опыт 3,5 млрд $ может показаться что это страшная расточительность, но такова цена научного прогресса. Пока о коммерческом применении речи не идет, а ученые пытаются нащупать путь к совершенствованию технологии.
Профессор физики плазмы Джереми Читтенден из Великобритании назвал этот эксперимент настоящим прорывом, хотя и отметил, что от него до построения термоядерной электростанции еще долгий путь. Однако ученый уверен, что главный результат – это понимание того, что эффективное обуздание термоядерного синтеза реальная и достижимая цель.
Ученые говорят, что для построения полноценной термоядерной электростанции реактор должен давать по крайней мере в 10 раз больше энергии, чем было затрачено на его запуск.
Чтобы понять в чем глобальное значение "Ливерморского эксперимента" стоит вспомнить, что сейчас наиболее энергоэффективными электростанциями являются "ядерные". В реакторе такой электростанции проходит процесс расщепления (деления) ядер урана, сопровождающийся значительным выделением энергии. Кроме энергии, в процессе работы реактора мы получаем определенное количество высокотоксичных радиоактивных отходов, которые требуют правильной и очень дорогой утилизации.
Термоядерный синтез дает энергии в 4 раза больше чем можно получить от реакции распада ядер, и, что важнее, реакция синтеза экологически "чистая". В результате синтеза образуются изотопы водорода, которые затем легко превратить в обычную воду.
Итак, "Ливерморский эксперимент" постепенно приближает ученых к тому, чтобы заменить электростанции "распада" со всеми их недостатками, на электростанции "синтеза", которые не разрушают экосистему планеты.
В отличие от реакции распада или деления атомов (ядерной), термоядерная реакция является процессом слияния двух атомов в единое целое. Фактически, химический элемент превращается в собственный изотоп, увеличивая вес и количество элементарных частиц на орбите. Здесь стоит вспомнить структуру атома любого вещества, подобную нашей солнечной системе. Атом является "солнцем", вокруг которого свободно вращаются элементарные частицы: нейтроны, протоны и электроны. Когда сливаются два ядра, от них отрываются электроны, создается огромное давление и высвобождается значительное количество энергии. А элементарные частицы из двух ядер остаются на орбите одного, нового ядра, увеличивая его массу.
Чистая энергия реакции термоядерного синтеза рассчитывается по известной формуле Эйнштейна E = mc². Где E - энергия, m - масса синтезированного вещества, а c - скорость света в вакууме, равная 299 792 458 м/с.
Термоядерный синтез происходит в недрах большинства звезд видимой с Земли вселенной, в том числе и Солнца. Именно этот физический процесс позволяет Солнцу освещать и согревать нашу планету.
Почему же ученые до сих пор не смогли провести профицитную термоядерную реакцию?
Поправка на гравитацию. Первая проблема, с которой столкнулись ученые пытаясь провести управляемую термоядерную реакцию в лаборатории, это разница между гравитацией (силой притяжения) на Солнце и на Земле. Дело в том, что солнечная гравитация больше земной примерно в 30 раз. Итак, на Солнце синтез ядер происходит при температурах около 10 млн °C, но на Земле тот же термоядерный синтез требует значительно более высоких температур – примерно 100 млн °C (в десять раз больше).
Так что плазму (раскаленное до целевой температуры вещество, в котором будет происходить синтез) нужно было удержать бесконтактным способом. Дело в том, что любое известное науке вещество при температуре 100 млн °C мгновенно испаряется (переходит в состояние газа).
Первые теоретические расчеты для удержания плазмы в рамках управляемого термоядерного синтеза осуществил украинский физик Олег Лаврентьев. Именно он впервые выдвинул идею использования термоядерной энергии в промышленных масштабах, и разработал схему изоляции плазмы с помощью электрического поля. Идея была в том, чтобы плазму удерживала "ловушка" созданная мощным электромагнитным полем сгенерированным силовой установкой.
Позже, его теоретический труд нашел практическое воплощение в установке ТоКаМаК (Тороидальная камера с магнитными катушками). Тороидальную форму установки (в виде бублика) предложили российские ученые Игорь Тамм и Андрей Сахаров (создатель водородной "термоядерной" бомбы). Они создали базовые чертежи ТоКаМаКа и довели проект до практического воплощения.
Первый ТоКаМаК был построен и запущен в 1955 году, он получил название Т-1. Более-менее вменяемых результатов удалось достичь только на установке с кодовым названием Т-3, построенной в Курчатовском Институте в 1958. Тогда ученым удалось удерживать сгусток плазмы объемом ~ 5х1019 м-3 (меньше чем простейшая бактерия) в течение 0,2 секунды. О каком-то профиците реакции речи не было, главной задачей было удержание плазмы, в которой проходил синтез.
На сегодняшний день в мире есть около 90 действующих установок типа ТоКаМаК. Лучших результатов достигли южнокорейские ученые, чья установка KSTAR в 2020 году смогла разогреть плазму до нужных 100 млн °C и удерживать ее в течение 20 секунд - вы можете посмотреть выпуск новостей об этом событии. Уже в 2022 они улучшили показатели, достигнув температуры в 120 млн градусов, а время удержания плазмы выросло до 17 минут – условия более чем достаточные для того, чтобы начать разработку электростанции, о чем мы расскажем в следующем разделе. Но и эта установка была дефицитной и работала "в минус".
Первым шагом к достижению энергетического профицита стал принципиально новый подход к удержанию плазмы - импульсный. Который предложили и сами реализовали ученые Ливерморской лаборатории в США.
Но даже этот, удачный эксперимент, столкнулся с теми же проблемами, что и все предыдущие ТоКаМаКи, и прочие инженерные идеи по удержанию плазмы. Главной проблемой, которая до сих пор стоит перед учеными на пути к проекту действующей термоядерной электростанции является энергоэффективный контроль плазмы.
Термоядерный синтез происходит при колоссальных температурах со сгустком раскаленной плазмы. Если вы когда-то пробовали сжать воздушный шар, то должны понимать почему именно это чрезвычайно сложно. А у сгустка плазмы в установке нет внешней оболочки, потому что ни одно вещество не может служить капсулой для него из-за сверхвысокой температуры. В случае "Ливерморского эксперимента" лучи 192 лазеров должны были быть направлены так, чтобы их импульсы четко сходились в единой точке – центре сгустка плазмы. При малейшей погрешности управляемый синтез мог бы превратиться в неуправляемый. Выше мы уже упоминали, что для полной зарядки всех этих лазеров пришлось потратить больше энергии, чем было получено от синтеза. К этой информации стоит добавить, что зарядка лазерных установок длилась около недели.
На данный момент во Франции продолжаются строительные работы по созданию действующего ТоКаМаКа, ITER (Международный термоядерный экспериментальный реактор - транскрипция укр.). В его разработке французским ученым помогают коллеги из КНР (Китайской Народной Республики). Этот ТоКаМаК будет иметь не тороидальный (в форме бублика) а сферический магнитный генератор, что позволит повысить его энергоэффективность и выйти в профицит. Строительство планируют завершить в 2025 году.
"Ливерморский эксперимент", хотя и имел другой принцип удержания плазмы, существенно повлиял на концепцию французского ITER, поскольку дал ученым понимание, в каком направлении двигаться, чтобы в конце-концов достичь профицитности реакции.
Если удастся достичь 10 кратного профицита в работе экспериментального реактора, то глобальная энергетика в корне изменится. Прежде всего, это будет значить, что разработка термоядерной электростанции практически возможна и в эту разработку начнут инвестировать страны, имеющие соответствующие технологии и материальную базу.
Исчезнет с повестки дня проблема утилизации и минимизации ядерных отходов, образующихся в результате работы нынешних атомных электростанций. Исчезнет проблема сырья – для работы АЭС нужен уран, а термоядерный синтез требует только водорода, который просто выделить из воды. Таким образом сырьевой базой для получения электроэнергии станет весь мировой океан.
Полученные в результате термоядерного синтеза изотопы водорода легко вступают в реакцию с кислородом снова образуя молекулы воды. Так что сырье для электростанций будущего не только безлимитное, но оно еще и обладает способностью к рекомбинации (самовосстановлению).
Что же принесет человечеству массовое создание термоядерных электростанций? Прежде всего – серьезное удешевление электроэнергии и экологические бенефиты, о которых мы уже упомянули выше. Можно будет отказаться от части возобновляемых источников электроэнергии, таких как гидроэлектростанции и ветряки. Первые разрушают экосистемы рек и ручьев, а вторые достаточно дороги в обслуживании.
Вследствие существенного удешевления электроэнергии уменьшится значение невозобновляемых энергоресурсов таких как нефть и газ. А это значит, что определенные страны-автократии со значительными запасами этих ресурсов потеряют часть влияния на международной арене и рычаги для геополитического шантажа. Кроме того, разработка нефтяных и газовых месторождений также вредна для экологии планеты.
На сегодня три действующие АЭС обеспечивают Украину электроэнергией примерно на 115%. До войны наше государство могло экспортировать избыток электроэнергии в страны ЕС и получать прибыль. Если же представить, что их может заменить одна единственная ТЭС (термоядерная электростанция), безотходная и экологически чистая. То прибыль государства уменьшится (потому что электроэнергия подешевеет), но уменьшаются и расходы на экологию и утилизацию ядерных отходов. В комплексе это позволит улучшить энергетическую независимость страны. Такой же сценарий можно воплотить в любой другой стране мира, которая получит доступ к новым технологиям.
