Термоядерный синтез: в 10 раз жарче Солнца
Ученые пытаются воспроизвести на Земле реакции термоядерного синтеза, происходящие на Солнце, уже без малого 70 лет. Несмотря на то что им до сих пор не удалось поставить этот принцип на службу энергетике, исследователи не теряют надежды. В этом году сразу несколько экспериментальных проектов показали рекордные результаты и находятся на пороге технологического прорыва, который может изменить облик планеты и стать важным шагом на пути энергетического перехода. О том, как ученые пытаются воссоздать Солнце на Земле, — в материале «Энергии Северо-Запада».
Предложение об использовании управляемого термоядерного синтеза для промышленных целей и конкретная схема с использованием термоизоляции высокотемпературной плазмы электрическим полем были впервые сформулированы советским физиком Олегом Лаврентьевым в 1950 году. Первый токамак (первоначально менее благозвучная аббревиатура токамаг — тороидальная камера с магнитными катушками) был построен в СССР спустя четыре года.
Термоядерный синтез (ТС) — реакция, противоположная ядерному делению, питающему современные АЭС, — пока остается несбыточной мечтой физиков всего мира. Термоядерная энергия не обременена побочными последствиями в виде выбросов CO2 и ядерных отходов. Для ее получения в теории требуется лишь два изотопа — дейтерий и тритий (атомы водорода с двумя и тремя нейтронами в ядре), так что подобный генератор при том же объеме выработки будет занимать в сотни раз меньше места, чем любая современная солнечная или ветровая электростанция. Дейтерий и тритий искусственно сталкиваются на огромной скорости, сближаясь до расстояния одного атомного ядра и образуя новое, более тяжелое ядро. В результате с атомов слетает электронная оболочка, газ дейтерия и трития переходит в состояние плазмы, при этом высвобождается огромное количество энергии. Плазма в токамаке удерживается не стенками камеры, которые не способны выдержать необходимую для термоядерных реакций температуру, а специально создаваемым комбинированным магнитным полем.
Сейчас освоено два способа сталкивания атомов: их разгон в торообразных реакторах при помощи магнитного поля (ТС с магнитным удержанием) и разогрев сверхмощными лазерными пучками крошечных мишеней, содержащих дейтерий и тритий (инерционный ТС). Пока ни одним из этих способов не удалось решить ключевой проблемы: количество энергии, затраченной на удержание плазмы в стабильном состоянии, всегда оставалось несопоставимо больше энергии, полученной в результате реакции. Термоядерный синтез на Солнце возможен благодаря огромной гравитации, удерживающей плазму, в земных же условиях для этого нужны магнитные поля или лазеры огромной мощности.
Но в последние годы в исследованиях, кажется, наметился серьезный прогресс. В 2009 году в США на базе Ливерморской национальной лаборатории был создан Национальный комплекс зажигания (NIF). Установка для исследований в области инерционного ТС состоит из 192 лазеров мощностью 500 ТВт, лучи которых преобразуются в рентгеновские и разогревают крошечную топливную «таблетку» с дейтерием и тритием. Вся операция происходит в течение нескольких триллионных долей секунды, но энергонагруженность и сложность процесса таковы, что запускать установку удается лишь несколько раз в месяц. Стартовые результаты выглядели удручающими — в первые годы исследователям удавалось вернуть лишь 0,73 % потраченной энергии. Увеличение показателя в 2018 году до 3,6 % стало первым значимым успехом, который был развит в августе 2021 года, когда объем возврата достиг 70%.
«Лазерные установки NIF размером с три футбольных поля были сфокусированы на цель 4,6 мм и образовали раскаленную точку диаметром с человеческий волос, выработавшую более 10 квадриллионов Вт термоядерной энергии за 100 триллионных секунды», — сообщили в Ливерморской лаборатории. Ученым не хватило совсем немного, чтобы «зажечь» топливную таблетку и запустить реакцию синтеза.
Сопоставимый прорыв сейчас происходит и в термоядерном синтезе с магнитным удержанием. Здесь главной проблемой ученых остается необходимость создания температурных условий, которые трудно даже представить. Южнокорейский токамак KSTAR был построен в 2007 году. Через девять лет он установил первый рекорд: плазма температурой 50 млн градусов Цельсия (на Солнце — около 15 млн градусов) удерживалась в камере на протяжении 70 секунд. Но устойчивые процессы термоядерного синтеза происходят при температуре плазмы 100–120 млн градусов — этого порога KSTAR достиг в 2018 году, правда, время удержания составило лишь 1,5 секунды. Дальнейшая оптимизация магнитной схемы позволила увеличить время удержания до 30 секунд, следующего этапа в 5 минут исследователи из Южной Кореи обещают достигнуть к 2026 году.
Весной 2021 года тех же температур — более 100 млн градусов — удалось добиться исследователям из Университета Макса Планка (Германия) на экспериментальном токамаке Asdex Upgrade, топливом для которого является ионизированный водородный газ. Отличительная особенность этой установки — особый дивертор, который улучшает теплоизоляцию ядра термоядерного реактора.
В 2026 году на Лазурном Берегу планируется запустить экспериментальный реактор в рамках международного проекта ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). С момента старта в 2010 году проект подорожал на треть — с 14 до 19 млрд евро, но огромные затраты делят восемь участников проекта: Евросоюз, Россия, Казахстан, Япония, Южная Корея, США, Индия и Китай. Специалисты рассчитывают, что установка позволит разогреть плазму в 10 раз сильнее, чем на Солнце, и получить пиковую термоядерную мощность в одном импульсе в 1,1 ГВт.
В ноябре 2021 года британская компания Pulsar Fusion провела стендовые испытания химического ракетного двигателя повышенной мощности с использованием технологий ТС. В экологичном гибридном ракетном двигателе, используемом Pulsar, сжигаются окислитель закись азота (N2O), топливо из полиэтилена высокой плотности (HDPE) и кислород. Самое интересное здесь — HDPE, фактически пластиковый мусор (бутылки и флаконы из-под бытовой химии, обрезки труб, разделочные доски и т. д.). Как говорит гендиректор Pulsar Fusion Ричард Динан, философия его команды такова: не нужно пытаться полностью обуздать ТС, как это хотят сделать в рамках международного проекта ITER, но можно применять ядерный синтез для переработки мусора в нечто полезное. Пока этого не произошло, но успешные тесты двигателя, где обычный пластик окисляется закисью азота и создает сверхзвуковой высокотемпературный факел, внушают осторожный оптимизм.
Ощутимый прогресс в области термоядерного синтеза происходит на фоне значительного роста инвестиций в исследования: по данным BloombergNEF, в прошлом году профильные частные компании Северной Америки и Европы привлекли 300 млн долларов. Достигнутая эффективность еще не позволяет перейти к этапу промышленного тиражирования. Однако эти вложения, как и огромные средства, тратящиеся ведущими странами мира (в том числе и Россией), создают базу для нового технологического рывка, который в будущем изменит облик мировой энергетики.