14 Грудня, 2022 9 хвл
У США стався прорив у галузі ядерного синтезу: що це дасть
У вівторок очільник Міністерства енергетики та інші федеральні наукові керівники оголосили про те, що в Національній лабораторії імені Лоуренса Лівермора в Каліфорнії під час термоядерної реакції було отримано чисту енергію, тобто в результаті реакції було отримано більше енергії, ніж було витрачено на її підтримку. Це перший випадок, коли людство досягло такого прориву.
Зміст
Термоядерний синтез – це спосіб отримання енергії на Сонці, але відтворення корисної термоядерної реакції на Землі не вдавалося вченим протягом десятиліть. Досягнення чистої позитивної енергії відкриває шлях до того, щоб термоядерний синтез перетворився з лабораторної науки на корисне джерело енергії, хоча до великомасштабної комерціалізації термоядерного синтезу можуть пройти ще десятиліття.
Термоядерний синтез особливо привабливий з огляду на зростаючу актуальність проблеми зміни клімату, оскільки, якщо його вдасться комерціалізувати в промислових масштабах, він не призводить до викидів вуглекислого газу і не продукує довгострокових ядерних відходів, пов’язаних із діленням ядер, що є типом ядерної енергії, використовуваної для отримання енергії сьогодні.
Джилл Хрубі, адміністратор Національної адміністрації з ядерної безпеки, у вівторок на пресконференції у Вашингтоні, округ Колумбія, заявила: “Понеділок, 5 грудня 2022 року, став важливим днем у науці”. “Досягнення запалювання в експерименті з керованого термоядерного синтезу – це досягнення, яке було досягнуто після більш ніж 60 років глобальних досліджень, розробок, проєктування та експериментів”.
Досягнення запалювання термоядерного синтезу має на увазі, що під час термоядерного експерименту було отримано більше енергії від термоядерного синтезу, ніж надала енергія лазера, який використовувався для запуску реакції. З моменту проведення експерименту команда аналізувала дані, щоб мати можливість зробити офіційну заяву.
“Це найважливіший прорив. Попередні результати були рекордними, але ще не давали більше енергії на виході, ніж на вході”, – сказав генеральний директор галузевої групи Fusion Industry Association Ендрю Голланд CNBC. “Уперше на Землі вчені підтвердили, що під час експерименту з термоядерної енергії вивільняється більше енергії, ніж потрібно для запуску. Таким чином, було доведено фізичну основу термоядерної енергії. Це призведе до того, що в найближчому майбутньому термоядерний синтез стане безпечним і стійким джерелом енергії.”
В експерименті 5 грудня в реакцію увійшло близько двох мегаджоулів (одиниця виміру енергії), а вийшло близько трьох мегаджоулів. Так сказав заступник адміністратора з оборонних програм у Національному управлінні ядерної безпеки Марвін Адамс.
“Під час експериментів 192 високоенергетичні лазери сходяться на мішені розміром із перчинку, нагріваючи капсулу з дейтерієм і тритієм до температури понад 3 мільйони градусів Цельсія і ненадовго імітуючи умови зірки”, – сказав Грубі.
Основним завданням Національної лабораторії є вивчення ядерної енергії для використання в національній обороні, і це дослідження ядерного синтезу є частиною зусиль, вжитих у 1996 році тодішнім президентом Клінтоном для підтримання впевненості в безпеці запасів ядерної зброї без повномасштабних ядерних випробувань.
Але це відкриття має величезні наслідки і для чистої енергії. На додаток до роботи із забезпечення національної безпеки, “ми зробили перші попередні кроки до створення джерела чистої енергії, що може зробити революцію у світі”, – сказав Грубі.
Хоча цей науковий прорив відзначається на найвищому урядовому рівні, пройде багато років, перш ніж термоядерні електростанції зможуть забезпечити чисту енергію в достатку.
“Це одна запальна капсула. А щоб реалізувати комерційну термоядерну енергію, потрібно зробити багато всього. Ви маєте бути здатні виробляти багато-багато термоядерних запалювань на хвилину”, – сказав директор Ліверморської лабораторії імені Лоуренса Кім Буділ.
“У вас має бути надійна система драйверів для забезпечення цього. Так що, ви знаєте, можливо, це займе десятиліття. Не шість десятиліть, не п’ять десятиліть, як ми говорили раніше. Я думаю, що це виходить на перший план, і, можливо, при узгоджених зусиллях та інвестиціях, через кілька десятиліть досліджень базових технологій ми зможемо побудувати електростанцію”.
Головний науковий співробітник програми інерціального термоядерного синтезу в Лоуренс Лівермор, Омар А. Гаррікейн пояснив: “Усе, що потрібно буде зробити далі, – це здебільшого інженерна робота, підвищення енергетичної ефективності лазера і збільшення енергетичного виграшу мішені за рахунок подальшої оптимізації мішені”. Він додав: “Цей новий результат справді наближає комерційний термоядерний синтез, оскільки він демонструє, що немає жодних перешкод з точки зору фундаментальної фізики. Починає здаватися, що ми вступаємо в “термоядерну еру””.
Один крок уперед до "епохи термоядерного синтезу"
Інтерес до термоядерного синтезу різко зріс останніми роками у зв’язку із загостренням проблем зміни клімату та енергетичної безпеки.
Наразі у США працює понад 90 ядерних енергетичних реакторів, але в цих реакторах використовується ядерний поділ, коли нейтрон врізається у великий атом, унаслідок чого він розпадається на два дрібніші атоми з виділенням великої кількості енергії. Реакції ядерного поділу не призводять до викидів вуглекислого газу, тому, за даними Міністерства енергетики США, вони вважаються чистою енергією.
За даними Управління енергетичної інформації США, 2021 року Сполучені Штати отримували приблизно 19 відсотків електроенергії, що виробляється на цих атомних електростанціях, а енергія від реакторів ядерного поділу становить половину чистої енергії, що виробляється у США, за даними Міністерства енергетики.
Однак ці реактори виробляють довготривалі ядерні радіоактивні відходи, і в більшості країн, включно зі США, наразі немає довгострокових сховищ для цих відходів. Спроби побудувати постійне підземне геологічне сховище для ядерних відходів досі не увінчалися успіхом у Сполучених Штатах.
Під час злиття двох атомів утворюється важчий атом, при цьому виділяється величезна кількість енергії без викидів вуглекислого газу та утворення довговічних ядерних відходів. Але підтримання реакції термоядерного синтезу на Землі виявилося надзвичайно складним завданням, і вчені намагаються зробити це вже кілька десятиліть. Зокрема, для термоядерної реакції потрібна величезна кількість енергії, і до цього експерименту ніхто не демонстрував здатність отримати більше енергії з реакції, ніж потрібно для її протікання.
“Вчені намагалися показати, що під час термоядерного синтезу може виділятися більше енергії, ніж вводиться, з 1950-х років”, – сказав фізик плазми Артур Туррелл CNBC.
“Протягом цих десятиліть щоразу, коли хтось просив фінансування для розвитку термоядерної енергетики, відповідь завжди була такою: “Спочатку ви маєте показати дієвість цього процесу”, – сказав Туррелл, який також є автором книги “Будівельники зірок”. Тобто, ви маєте показати, що термоядерний експеримент може виробляти більше енергії, ніж споживає”.
“Дослідники з Лоуренса Лівермора зробили це вперше в історії”. Термоядерний синтез уже є гарячою темою для інвесторів у кліматичну та енергетичну галузі – на сьогоднішній день інвестори влили майже 5 мільярдів доларів у приватні стартапи в галузі термоядерної енергетики, за даними Fusion Industry Association, і більш ніж половину з них було вкладено з другого кварталу 2021 року.
“Усі в співтоваристві лазерного термоядерного синтезу (або термоядерного синтезу з інерційним утриманням) зосереджені на тому, щоб отримати більше енергії на виході, ніж на вході в межах одного експерименту, бо це ключ до демонстрації доказу принципу і розблокування подальших інвестицій та інтересу”, – сказав Туррелл в інтерв’ю CNBC. Дійсно, приватна термоядерна індустрія розглядає це як успіх.
“Тепер приватна індустрія термоядерного синтезу зробить наступні кроки, перетворивши результати експерименту, подібного до цього, на життєздатне джерело чистої, безпечної енергії”, – сказав Холланд CNBC. Коротше кажучи, це покаже всьому світу, що термоядерний синтез – це не наукова фантастика: скоро він стане життєздатним джерелом енергії”. Звісно, між цими експериментальними результатами і термоядерними електростанціями ще багато кроків, але це важливий шлях, який наближає нас до того дня, коли термоядерний синтез забезпечить світ чистою, безпечною і рясною енергією”.
