В США произошел прорыв в области ядерного синтеза: что это даст

Термоядерный синтез особенно привлекателен, учитывая растущую актуальность проблемы изменения климата, поскольку, если его удастся коммерциализировать в промышленных масштабах, он не приводит к выбросам углекислого газа и не производит долговременных ядерных отходов, связанных с делением ядер, которое является типом ядерной энергии, используемой для получения энергии сегодня.

Джилл Хруби, администратор Национальной администрации по ядерной безопасности, во вторник на пресс-конференции в Вашингтоне, округе Колумбия, заявила: «Понедельник, 5 декабря 2022 года, стал важным днем в науке». «Достижение зажигания в эксперименте по управляемому термоядерному синтезу – это достижение, которое было достигнуто после более чем 60 лет глобальных исследований, разработок, проектирования и экспериментов».

Достижение зажигания термоядерного синтеза подразумевает, что в ходе термоядерного эксперимента было получено больше энергии от термоядерного синтеза, чем предоставила энергия лазера, который использовался для запуска реакции. С момента проведения эксперимента команда анализировала данные, чтобы иметь возможность сделать официальное заявление.

“Это важнейший прорыв. Предыдущие результаты были рекордными, но еще не давали больше энергии на выходе, чем на входе”, – сказал генеральный директор отраслевой группы Fusion Industry Association Эндрю Холланд CNBC. “Впервые на Земле ученые подтвердили, что в ходе эксперимента по термоядерной энергии высвобождается больше энергии, чем требуется для запуска. Таким образом, была доказана физическая основа термоядерной энергии. Это приведет к тому, что в ближайшем будущем термоядерный синтез станет безопасным и устойчивым источником энергии.”

В эксперименте 5 декабря в реакцию вошло около двух мегаджоулей (единица измерения энергии), а вышло около трех мегаджоулей. Так сказал заместитель администратора по оборонным программам в Национальном управлении ядерной безопасности Марвин Адамс.

Для эксперимента все сверхмощные лазеры направлены на очень крошечную топливную мишень в Национальном центре зажигания в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора. “Во время экспериментов 192 высокоэнергетических лазера сходятся на мишени размером с перчинку, нагревая капсулу с дейтерием и тритием до температуры более 3 миллионов градусов Цельсия и ненадолго имитируя условия звезды”, – сказал Груби.

Основной задачей Национальной лаборатории является изучение ядерной энергии для использования в национальной обороне, и это исследование ядерного синтеза является частью усилий, предпринятых в 1996 году тогдашним президентом Клинтоном для поддержания уверенности в безопасности запасов ядерного оружия без полномасштабных ядерных испытаний.

Но это открытие имеет огромные последствия и для чистой энергии. В дополнение к работе по обеспечению национальной безопасности, “мы сделали первые предварительные шаги к созданию источника чистой энергии, который может произвести революцию в мире”, – сказал Груби.

Хотя этот научный прорыв отмечается на самом высоком правительственном уровне, пройдет много лет, прежде чем термоядерные электростанции смогут обеспечить чистую энергию в изобилии.

“Это одна зажигательная капсула. А чтобы реализовать коммерческую термоядерную энергию, нужно сделать много всего. Вы должны быть способны производить много-много термоядерных зажиганий в минуту”, – сказал директор Ливерморской лаборатории имени Лоуренса Ким Будил.

“У вас должна быть надежная система драйверов для обеспечения этого. Так что, вы знаете, возможно, это займет десятилетия. Не шесть десятилетий, не пять десятилетий, как мы говорили раньше. Я думаю, что это выходит на первый план, и, возможно, при согласованных усилиях и инвестициях, через несколько десятилетий исследований базовых технологий мы сможем построить электростанцию”.

Главный научный сотрудник программы инерциального термоядерного синтеза в Лоуренс Ливермор, Омар А. Харрикейн объяснил: “Все, что предстоит сделать дальше, – это в основном инженерная работа, повышение энергетической эффективности лазера и увеличение энергетического выигрыша мишени за счет дальнейшей оптимизации мишени”. Он добавил: “Этот новый результат действительно приближает коммерческий термоядерный синтез, поскольку он демонстрирует, что нет никаких препятствий с точки зрения фундаментальной физики. Начинает казаться, что мы вступаем в “термоядерную эру””.

Интерес к термоядерному синтезу резко возрос в последние годы в связи с обострением проблем изменения климата и энергетической безопасности.

В настоящее время в США работает более 90 ядерных энергетических реакторов, но в этих реакторах используется ядерное деление, когда нейтрон врезается в крупный атом, в результате чего он распадается на два более мелких атома с выделением большого количества энергии. Реакции ядерного деления не приводят к выбросам углекислого газа, поэтому, по данным Министерства энергетики США, они считаются чистой энергией.

Однако эти реакторы производят долговременные ядерные радиоактивные отходы, и в большинстве стран, включая США, в настоящее время нет долгосрочных хранилищ для этих отходов. Попытки построить постоянное подземное геологическое хранилище для ядерных отходов до сих пор не увенчались успехом в Соединенных Штатах.

При слиянии двух атомов образуется более тяжелый атом, при этом выделяется огромное количество энергии без выбросов углекислого газа и образования долговечных ядерных отходов. Но поддержание реакции термоядерного синтеза на Земле оказалось чрезвычайно сложной задачей, и ученые пытаются сделать это уже несколько десятилетий. В частности, для термоядерной реакции требуется огромное количество энергии, и до этого эксперимента никто не демонстрировал способность получить больше энергии из реакции, чем требуется для ее протекания.

“Ученые пытались показать, что при термоядерном синтезе может выделяться больше энергии, чем вводится, с 1950-х годов”, – сказал физик плазмы Артур Туррелл CNBC.

“В течение этих десятилетий каждый раз, когда кто-то просил финансирования для развития термоядерной энергетики, ответ всегда был таким: “Сначала вы должны показать действенность этого процесса”, – сказал Туррелл, который также является автором книги “Строители звезд”. То есть, вы должны показать, что термоядерный эксперимент может производить больше энергии, чем потребляет”. 

“Все в сообществе лазерного термоядерного синтеза (или термоядерного синтеза с инерционным удержанием) сосредоточены на том, чтобы получить больше энергии на выходе, чем на входе в рамках одного эксперимента, потому что это ключ к демонстрации доказательства принципа и разблокированию дальнейших инвестиций и интереса”, – сказал Туррелл в интервью CNBC. Действительно, частная термоядерная индустрия рассматривает это как успех.

“Теперь частная индустрия термоядерного синтеза предпримет следующие шаги, превратив результаты эксперимента, подобного этому, в жизнеспособный источник чистой, безопасной энергии”, – сказал Холланд CNBC. Короче говоря, это покажет всему миру, что термоядерный синтез – это не научная фантастика: скоро он станет жизнеспособным источником энергии”. Конечно, между этими экспериментальными результатами и термоядерными электростанциями еще много шагов, но это важный путь, который приближает нас к тому дню, когда термоядерный синтез обеспечит мир чистой, безопасной и обильной энергией”.