Прирученное солнце. Рассказываем о термоядерной реакции, которая меняет будущее человечества

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:

• что именно произошло в Ливерморской лаборатории?

• почему Ливерморский эксперимент имеет огромное значение для науки?

• что такое термоядерная реакция, и почему раньше ученые не могли получить подобные результаты;

• как успех Ливерморского эксперимента повлияет на глобальную энергетику;

• перспективы, которые открывает для человечества освоение технологии термоядерного синтеза.

Что именно произошло в Ливерморской национальной лаборатории?

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. 

Почему "Ливерморский эксперимент" имеет огромное значение для науки?

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. 

Что такое термоядерная реакция, и почему раньше ученые не могли получить подобные результаты?

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. 

Как успех "Ливерморского эксперимента" повлияет на глобальную энергетику?

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). 
 

Перспективы, которые откроет для человечества освоение технологии термоядерного синтеза

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.