Не прошло и четверти XXI века, а уже появилась технология, претендующая на звание «научное достижение столетия». Именно с этими словами министр энергетики США Дженнифер Гранхольм представила миру успешный эксперимент американских ученых в ядерном синтезе. Но так ли грандиозно открытие? Сыграет ли оно роль локомотива на пути к изобилию чистой энергии либо через некоторое время о нем попросту забудут?

Больше, чем было

«Крупный прорыв», «важная веха для климата и чистой энергии», «событие, которое войдет в учебники истории», «святой грааль чистой энергетики», «первое в своем роде достижение» — какими только эпитетами американские СМИ не наградили проведенный Ливерморской национальной лабораторией Лоуренса (LLNL) эксперимент по запуску термоядерной реакции. Конечно, идея ее использования — источник энергии звезд, который заключается в слиянии двух легких атомных ядер в одно более тяжелое, что приводит к генерации огромного заряда энергии — для производства энергии, здесь, на Земле, не нова.

На протяжении более 60 лет ученые пытались создать максимально горячую и плотную плазму, которую могли бы удерживать так долго, чтобы температура ядер внутри достигала воспламенения. Главная проблема была в том, что плазмой трудно управлять. Она электрически заряжена. Это значит, что плазма одновременно реагирует на магнитные поля и генерирует свои собственные при движении. Чтобы поддерживать термоядерный синтез, температура внутри должна достигать невероятных показателей. А это непросто — она легко остывает. И вот прорыв: впервые при помощи группы лазеров удалось высвободить больше энергии, чем потратить на ее запуск, то есть на разогрев плазмы.

Возможно, как это часто бывает, открытие осталось бы заметным событием исключительно в научном сообществе, но не в этот раз. Новое достижение лично презентовали первые лица министерства энергетики США, что бывает крайне редко, тем самым подчеркнув значимость открытия для будущего страны в борьбе с изменением климата.

«Это одно из самых впечатляющих научных достижений XXI века. Эта веха, несомненно, повлечет за собой еще больше открытий», — описала удачный эксперимент министр энергетики США Дженнифер Гранхольм. Добавив, что зажигание позволило исследователям впервые воспроизвести условия, которые можно найти только в звездах и на Солнце. Удачный эксперимент на один значительный шаг приблизил американских ученых к тому, чтобы получить энергию синтеза с нулевым выбросом углерода.

«Термоядерное воспламенение в лаборатории — одна из самых значительных научных задач, когда-либо решаемых человечеством. Это достижение — триумф науки, техники и, прежде всего, людей», — подтвердила слова главы министерства директор LLNL, доктор Ким Будил.

Так что же произошло?

Безубыточность энергии

Понедельник, 5 декабря 2022 года. В лаборатории Национального центра зажигания (NIF) — структурном подразделении LLNL — более 190 лазеров подали энергию мощностью 2,05 МДж на крошечный цилиндр с замороженными гранулами тяжелых форм водорода — дейтерия и трития. В результате череды реакций синтеза температура в капсуле поднялась до предела, и она взорвалась. Несмотря на то что пожар продлился меньше доли секунды, ученые успели зафиксировать показатели — 3,15 МДж энергии. Это значит, что ученым наконец удалось достичь чистого прироста энергии. Иными словами, показателей безубыточности — впервые было высвобождено энергии больше, чем потрачено.

Конечно, цифры не соизмеримы с возможностями генерации энергии Солнца, но так это и начало. Ученые уже поставили перед собой новую цель — научиться поддерживать реакцию синтеза — того самого воспламенения. И если им это удастся, следующим научным прорывом NIF станет масштабирование технологии. Тем более что будущее у термоядерного синтеза многообещающее. Для сравнения: с одного килограмма топлива получится в четыре раза больше энергии, чем при делении ядер на АЭС. При сжигании нефти и угля разница еще больше — до нескольких миллионов раз.

Уже готовый источник энергии?

Но это далекие перспективы, пока же ученым предстоит научиться покрывать общие затраты, потраченные на запуск лазера. То есть если на разогрев изотопов израсходовано 2,05 МДж, а вся лазерная установка поглотила в 150 раз больше энергии, то для создания мощного луча, необходимого для завода двигателя внутреннего сгорания, потребуется более 300 МДж. Это значит, что лишь когда общие затраты лазера будут покрыты, только тогда можно говорить о создании и использовании готового источника энергии.

Именно поэтому вопреки громким заявлениям представителей Минэнерго США о коммерческих образцах «научного достижения столетия» говорить рано, хотя бы потому, что ученым предстоит во много раз увеличить КПД реакции. И лишь после этого можно строить серьезные гипотезы о том, когда термоядерные реакторы будут повсеместно использоваться в промышленности. На это уйдут десятилетия или столетия? Сложно ответить на вопрос, но известно одно: исследования продолжатся. Тем более что термоядерное топливо относится к чистым источникам энергии и, в отличие от традиционной энергии атома, более доступно.

Это подтверждает исследование департамента ядерных наук и применений МАГАТЭ. Согласно отчету, основные компоненты, используемые в эксперименте — дейтерий и тритий — можно извлекать, например, из морской воды. И для того не потребуются дорогостоящие технологии. Немаловажна и безопасность. История знает немало случаев неконтролируемых реакций в ядерной энергетике, многие из которых привели к трагедиям. С термоядерным синтезом дело обстоит иначе: его труднее запустить, а когда цепочка реакций выходит из-под контроля, реактор автоматически останавливается. В совокупности перечисленные плюсы делают этот источник энергии более привлекательным для дополнительных инвестиций.

«Это похоже на выстрел стартового пистолета, — комментирует результаты исследования директор Центра плазменных исследований и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института, профессор Деннис Дж. Уайт. — Мы должны стремиться к тому, чтобы сделать системы термоядерной энергии доступными для решения проблемы изменения климата и энергетической безопасности».

А что в России?

Термоядерная энергетика развивается и в нашей стране. И вполне успешно. Пожалуй, самым заметным достижением за последние годы стало участие России в международном проекте по строительству экспериментального термоядерного реактора во Франции (ITER). Своего рода это такой же грандиозный эксперимент, что представили американские ученые, но в его основе иной принцип — не быстрый синтез с лазером, а медленный. Перед нашими учеными стоит задача удержать плазму магнитными полями. Удастся ли это? Об этом мы узнаем не ранее 2026 года — на этот год назначен запуск реактора.

В любом случае, очевидно одно: в ближайшие годы термоядерная энергетика продолжит развиваться. У нее большие перспективы, подкрепляемые миллиардными инвестициями, а значит, строительство первого коммерческого термоядерного реактора — это вопрос времени. Возможности есть.