«Прорыв» в термоядерном реакторе

Ученые только что объявили о прорыве в воспламенении ядерного синтеза: впервые сердце мощного термоядерного реактора на короткое время произвело больше энергии, чем было вложено в него. Но эксперты призывают к осторожности, говоря, что прорыв, хотя и чрезвычайно важный, все еще далек от безопасной, безграничной ядерной энергетики.

Во вторник (13 декабря) физики из финансируемого правительством США Национального центра зажигания (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии объявили, что им удалось запустить лазер, несущий примерно 2 мегаджоуля энергии, в крошечную топливную таблетку, состоящую из из двух изотопов водорода, превращая атомы в плазму и производя 3 мегаджоуля энергии — увеличение на 50%.

Ученые очень взволнованы результатами, но опасаются преувеличивать их. Реактор в целом не дал чистого прироста энергии. Чтобы термоядерная реакция была практически полезной, десятки мегаджоулей, извлеченных из электрической сети, преобразованных в лазерные лучи и запущенных в активную зону реактора, должны быть значительно меньше, чем энергия, выделяемая из плазмы.

Но новая веха зажигания плазмы учитывает только энергию лазера и энергию плазмы, а не значительные потери от преобразования электричества в свет. Более того, реакция происходит в крошечной топливной таблетке внутри самого большого в мире лазера, длится всего несколько миллиардных долей секунды и может повторяться только каждые шесть часов.

Это делает реакцию слишком неэффективной для практических целей. «Чистый прирост энергии является важной вехой, но, если смотреть в перспективе, это означает, что синтез теперь находится там, где Ферми положил деление около восьмидесяти лет назад», — сказал Ян Лоу, физик и почетный профессор университета Гриффита в Австралии.

«Огромная техническая проблема состоит в том, чтобы поддерживать массу плазмы при температуре в несколько миллионов градусов, чтобы обеспечить термоядерный синтез, при этом извлекая достаточно тепла для обеспечения полезной энергии. Я до сих пор не видел достоверной схемы термоядерного реактора, который достигает этой цели. «

Как работают термоядерные реакторы

Существующие термоядерные реакторы можно разделить на две широкие категории: реакторы с инерционным удержанием, такие как NIF, которые содержат горячую плазму с лазерами или пучками частиц, и реакторы с магнитным удержанием, такие как базирующийся в Великобритании Joint European Torus (JET), предстоящий в Европе международный Термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР) и китайский экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST), которые придают плазме различные формы тора с сильными магнитными полями.

В ИТЭР поле, удерживающее горящую плазму, будет в 280 000 раз сильнее, чем вокруг Земли. Разные типы реакторов отражают разные стратегии преодоления пугающих технических барьеров термоядерного синтеза. Реакторы с магнитным удержанием, известные как токамаки, предназначены для поддержания непрерывного горения плазмы в течение длительных периодов времени (цель ИТЭР — до 400 секунд).

Но, несмотря на то, что токамаки приближаются друг к другу, им еще предстоит получить чистый прирост энергии от своей плазмы. С другой стороны, инерционные системы удержания, такие как реактор NIF, который также используется для испытаний термоядерных взрывов в военных целях, генерируют выбросы энергии, быстро сжигая один крошечный кусок топлива за другим.

Это топливо, однако, поставляется в виде отдельных гранул, и ученым еще предстоит выяснить, как заменить их достаточно быстро, чтобы поддерживать реакцию дольше, чем мельчайшие доли секунды. «Это очень, очень сложно, потому что это будет означать, что вам нужно разместить следующую таблетку в то время, когда [плазменное] облако расширяется в сосуде», — Ив Мартен, заместитель директора Швейцарского центра плазмы в Федеральной политехнической школе де Лозанны в Швейцарии.

«Эта пуля обычно имеет диаметр один миллиметр [0,04 дюйма], и ее нужно разместить в помещении диаметром девять метров [30 футов]. Насколько мне известно, она по-прежнему стоит несколько десятков тысяч долларов [для получить реакцию]. Чтобы быть интересным, он должен снизиться до одного доллара или даже меньше».

Очень дорогой изотоп

Еще одной проблемой для термоядерных реакторов является сокращение запасов трития, ключевого изотопа, который в сочетании с дейтерием используется в качестве топлива для реакции.

Когда-то обычный и нежелательный побочный продукт испытаний ядерного оружия под открытым небом и ядерного деления, при котором атомы расщепляются, а не объединяются и образуется гораздо больше радиоактивных отходов, период полураспада трития 12,3 года означает, что большая часть его существующих запасов уже находится на пути к быть непригодным для использования, что делает его одним из самых дорогих веществ на Земле по цене 30 000 долларов за грамм.

Физики предложили другие методы получения трития, например, его воспроизводство внутри ядерных реакторов, улавливающих блуждающие нейтроны. Но, помимо некоторых экспериментов меньшего масштаба, быстро растущие расходы означали, что планы по тестированию воспроизводства трития в ИТЭР пришлось отменить.

Исследователи термоядерного синтеза считают, что если будет проявлена политическая воля и решены технические проблемы, первые жизнеспособные термоядерные реакторы могут быть введены в эксплуатацию уже в 2040 году. «Лица, принимающие решения, жаждут священного Грааля чистой энергии из обильных ресурсов», — сказал Лоу.

«Потратив сквиллионы на исследования термоядерного синтеза, они очень не хотят сдаваться, точно так же, как они потратили десятилетия на погоню за фантазией о реакторе-размножителе [реактор деления, который вырабатывает больше энергии, чем потребляет]».

Тем не менее, в последние годы улучшения в технологии термоядерного синтеза происходят устойчивым потоком. К ним относятся успешные испытания ИИ для управления плазмой внутри токамака; множество рекордов по выработке электроэнергии, времени горения плазмы и температуре реактора в нескольких экспериментах; и переписывание основополагающего правила, которое могло бы позволить будущим реакторам генерировать в два раза больше энергии.

В свете этих достижений ученые в области термоядерного синтеза настаивают на необходимости нескольких стратегий для долгосрочного решения климатического кризиса, и что термоядерный синтез станет жизненно важным компонентом будущей безуглеродной энергетической системы.

«Если бы мы хотели полагаться только на возобновляемые источники энергии, нам понадобился бы такой избыток установок, чтобы иметь количество энергии, которое вам обычно требуется зимой или в безветренный период.

Нам нужно что-то, что будет базовым уровнем, который будет производить именно то, что вы хотите», — сказал Мартин. «Не потому, что я верю в термоядерный синтез, я не поставлю солнечные батареи на свою крышу. В некотором смысле нам действительно нужно использовать все, что лучше, чем ископаемое топливо».