Ядерный синтез для начинающих

В начале осени минувшего года было сообщено о том, что группе исследователей из консорциума Eurofusion удалось получить 59 мегаджоулей энергии в результате устойчивой реакции продолжительностью пять секунд на объекте «Объединенный европейский токамак» (JET) в Оксфорде, что почти втрое выше предыдущего рекорда 1997 г. Установка JET, созданная в 1978 г. в сотрудничестве между членами ЕС, Швейцарией, Великобританией и Украиной, – крупнейший в мире действующий экспериментальный термоядерный реактор для удержания физической плазмы магнитным полем. Ожидается, что результаты эксперимента на JET лягут в основу будущих достижений коллектива ITER (Международный экспериментальный термоядерный реактор).

А в декабре 2022 г. американские ученые из Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса в Калифорнии объявили о важнейшем успехе на пути к созданию термоядерных электростанций. Они утверждают, что им впервые удалось получить от термоядерного реактора больше – примерно в полтора раза – энергии, чем было потрачено на поддержание его работы. Таким образом, говорят исследователи, они смогли преодолеть важнейшее препятствие в работе над технологией, которая теоретически может дать человечеству почти неиссякаемый источник экологически чистой энергии.

Это только начало длинного пути, и еще неизвестно, приведет ли он к промышленному использованию энергии термоядерного синтеза. Пока что продемонстрирована сама возможность получить положительный выход энергии. Но это еще не есть «прибыльный» термоядерный синтез. Дело в том, что на инициацию реакции было потрачено во много раз больше энергии. Это означает, что в самой реакции нужно получить не в полтора раза больше энергии, чем затрачено на ее инициацию, а в 30–40 раз больше. Только тогда установка станет энергетически и экономически эффективной.

JET и ITER – лишь два из ряда государственных проектов по всему миру. Но и частный сектор активно вкладывается в молодые компании в области термоядерной энергетики. По данным сайта fusionenergybase.com, помимо двух крупных корпораций Lockheed-Martin и General Atomics, над собственными решениями работают 29 стартапов. Восемнадцать из них базируются в США, Великобритания и Канада представлены тремя компаниями, в Германии их две (Marvel Fusion в Мюнхене и Focused Energy в Дармштадте), по одной – в Китае, Франции и Австралии. К концу 2021 г. общий объем частного финансирования перевалил за 3 млрд долл., при этом некоторые предприятия нацелились на поставку коммерческой энергии уже в конце 2030-х.

Ниже – общие сведения о термоядерном синтезе и о тех политических препятствиях, которые грозят в том случае, если удастся преодолеть технические.

 

Примечательно, что управляемый ядерный синтез редко фигурирует в воображаемых сценариях обеспечения энергоснабжения Германии. Возможно, это связано с тем, что в самом дорогом проекте по этой теме под названием ITER сроки постоянно сдвигаются в будущее, а затраты стремительно растут. И, возможно, ITER однажды заставит нас понять, что забытые границы возможного не могут быть преодолены даже c помощью гигантских денег.

Цель Международного термоядерного экспериментального реактора – доказать, что управляемый ядерный синтез может быть использован для выработки электроэнергии.

При ядерном синтезе легкие атомные ядра, такие как ядра атома водорода, сближаются настолько, что притяжение между ними становится способным преодолеть электрическое отталкивание, и ядра сливаются. Чтобы это произошло, ядра должны столкнуться очень сильно, тогда это может сработать.

В каждом газе атомы постоянно сталкиваются друг с другом, и, чем выше температура газа, тем сильнее. Так что давайте нагреем его как можно выше и посмотрим, что произойдет. При температуре около 10 000°C столкновения настолько сильны, что электроны вырываются из атомов – своего рода атомный стриптиз. В результате получается очень горячий «суп» из «голых» атомных ядер и свободных электронов. Этот «суп» называется плазмой. Теперь нам нужно только заставить свободные атомные ядра преодолеть взаимное электрическое отталкивание и слиться. Для этого температура должна быть снова увеличена более чем в 10 тыс. раз, примерно до 150 млн градусов.