Американские физики впервые получили энергию в контролируемой термоядерной реакции — им понадобилось 12 лет экспериментов
Физики команды Национального центра зажигания (NIF) из Ливерморской национальной лаборатории США (одной из двух основных лабораторий, которые занимаются в стране изучением ядерного оружия) во вторник вечером сообщили на большой пресс-конференции о важном результате — преодолении энергетического порога контролируемого термоядерного синтеза. Впервые в истории количество энергии, потраченной на разогрев топлива, оказалось меньше, чем количество энергии, выделенной в ходе термоядерного горения.
В пресс-релизе событие как минимум четырежды называют «историческим» и описывают как непосредственный шаг к получению чистой, безуглеродной и почти неограниченной энергии будущего. Однако в реальности до этого будущего, к сожалению, еще очень далеко — и не вполне ясно, насколько эксперимент в Ливерморской лаборатории это будущее приблизил. Чтобы разобраться, необходимо хотя бы немного погрузиться в контекст термоядерного синтеза.
Что такое термоядерный синтез и почему ученые не могут повторить его почти сто лет?
Контролируемый термоядерный синтез — то есть воспроизведение в лаборатории процессов, происходящих в ядре Солнца, — одна из самых амбициозных задач, стоящих перед физиками и инженерами. Ее решение действительно открывает путь к фактически неограниченному источнику энергии, который не создает каких-либо отходов и не связан с воздействием на климат через выбросы углекислоты. Однако амбициозность задачи компенсируется крайне скромными результатами, которые удалось получить за почти целый век попыток ее решить — если отсчитывать с момента открытия самого явления термоядерного синтеза. Да, делать термоядерные бомбы человечество научилось довольно быстро, но применить способность атомных ядер сливаться с выбросом энергии для чего-то более полезного до сих пор не удавалось.
Проблема очень проста. Точнее говоря, крайне трудна, но просто описывается: необходимо разогреть легкие атомы, например обычный водород и его изотопы, до состояния плазмы с температурой в пару миллионов градусов (чем выше температура, тем быстрее пойдет реакция) и удерживать эту плазму какое-то время в компактном виде. Тогда без особых усилий со стороны человека более легкие ядра будут сливаться в более тяжелые (например, из водорода можно получить гелий, но есть и более перспективные варианты) с выделением огромного количества энергии, которую надо будет просто собирать. Например, с помощью нагрева теплоносителя и применения паровых турбин — как на обычных электростанциях.
Специалисты по физике плазмы за последние полвека узнали на собственном опыте, что пара миллионов градусов — это все-таки чудовищно много. Настолько много, что удержание такой температуры даже в крохотном объеме представляет неслыханные технические трудности.
Для их преодоления существует два принципиально разных подхода. Первый — это удержание плазмы в магнитных ловушках разнообразного дизайна. Самый известный из них — «бублик»-токамак, но существуют и более экзотические вещи, такие как «скрученный бублик» стелларатор, или линейный соленоид, или даже камера с крутящимся жидким металлом (концепт компании General Fusion). Поле, которое необходимо для удержания плазмы такой температуры, можно создать лишь огромными сверхпроводящими магнитами — но поскольку сверхпроводников, работающих при миллионных температурах, еще не изобрели, магнитная ловушка неизбежно будет представлять собой экзотичный слоеный пирог с градиентом температур от миллионов градусов в центре реакции до пары сотен градусов ниже нуля — и все это в довольно небольшом объеме.
Технические сложности создания таких установок колоссальны, но их трудно описать занимательным образом. Помимо проблемы с охлаждением магнитов, есть серьезные препятствия для контроля большого потока нейтронов из центра плазмы — ведь поглощаясь, нейтроны приводят к быстрому разрушению даже самых стойких материалов. Другая проблема, с которой столкнулись физики в последние десятилетия, связана с крайне капризным поведением плазмы: будучи разогретой и пойманной в сильное магнитное поле, она начинает вести себя как капризный младенец или жидкость — использует малейшие слабые места в напряженности поля, чтобы «вытечь» из заданной формы. Любые искажения, выпячивания плазмы сразу же понижают ее температуру и останавливают реакцию, а бороться с таким поведением довольно трудно.
В общем, проблем у подхода, где для термоядерного синтеза используется магнитное поле, очень много. С другой стороны, для решения этих проблем в последнее время появилось много новых экспериментальных методов и установок. В эту область пришли даже коммерческие компании. Они обещают произвести в ней революцию, которой все уже давно устали ждать от самого большого термоядерного долгостроя — строящейся установки ITER.
Физики Национального комплекса зажигания предлагают другой вариант — он похож на взрыв термоядерной бомбы
Физики из Национального комплекса зажигания (NIF) исповедуют иной подход к термоядерному синтезу — он кардинально отличается от описанного выше. Та же задача — разогревание и удержание плазмы — решается без помощи магнитов, за счет простой инерции. Грубо инерциальный подход можно описать так: вместо того, чтобы медленно и аккуратно разогревать и удерживать плазму, топливо можно, наоборот, разогреть настолько быстро, что оно просто не успеет разлететься в разные стороны и его вовсе не надо будет удерживать. Инерциальный подход подразумевает упаковку всего термоядерного цикла в наносекундный интервал времени — и это в определенном смысле сближает его со взрывом термоядерной бомбы, только небольшим и контролируемым. Неудивительно, что NIF вырос из военных проектов Ливерморской лаборатории. Эксперименты в Национальном комплексе зажигания — это самое близкое к ядерным испытаниям, что сейчас есть в мире, где эти испытания давно не проводятся (одна из задач NIF, кстати, — контроль и анализ работоспособности ядерного арсенала США).
Для того чтобы провести почти мгновенное нагревание плазмы, в NIF используется гигантская система 192 ультрафиолетовых лазерных луча (это самые мощные лазеры из существующих). Они фокусируются на алмазной мишени размером с перчинку — хольрауме, — которая содержит «изморозь» топлива с изотопами водорода, дейтерием и тритием.
На крохотную долю секунды во время лазерной вспышки топливо, содержащееся в хольрауме, может достичь такой температуры и давления, что никакой особой проблемы с удержанием плазмы просто не будет — реакция пройдет еще до того, как плазма успеет разлететься, — примерно как в ходе взрыва бомбы. Плюсы такого подхода очевидны — он полностью убирает все сложности с созданием сложных магнитных полей, которые требуют настройки и охлаждения. Но и минусов, как выясняется, немало — и никто заранее не может сказать, что перевесит в будущем.
Что именно произошло 5 декабря 2022 года?
Теперь, после 12 лет работы Национального комплекса зажигания (и 3,5 миллиарда долларов, потраченных на его строительство), можно утверждать, что физики все-таки что-то знают о практическом использовании инерциального подхода.
В частности, до 5 декабря 2022 года никто не смог бы ответить на вопрос, возможно ли в принципе создать с помощью лазеров достаточно симметричное облако плазмы на месте бывшей мишени-хольраума — настолько симметричное, чтобы оно могло сжаться до нужной температуры и плотности почти в точку, а не превратиться в разряженную и бессмысленную струю, в которой не происходит термоядерной реакции. Как оказалось, создание такого облака — крайне сложная задача, для решения которой понадобились десятилетия попыток. Достижение правильного сочетания факторов потребовало не только испытания разных режимов работы лазеров, но и создания сложнейшей методики производства и тестирования хольраумов, которые — как не без гордости сообщил начальник отдела по их производству в NIF — изготавливают и тестируют как минимум семь месяцев, и даже после этого они могут не сработать из-за микроскопических дефектов размером не больше обычной бактерии.
Сложно представить, чтобы на заре проекта, в середине 1990-х, физики рассчитывали, что для достижения такой, казалось бы, простой цели — облучения таблетки с топливом лазерами — понадобится настолько высокая точность в каждом элементе системы.
Научившись работать с такой точностью, участники проекта констатируют: во время эксперимента утром 5 декабря мишень с дейтерием и тритием поглотила 2,05 мегаджоуля энергии, а выделила — впервые в истории — в полтора раза больше, 3,15 мегаджоуля. Что примерно эквивалентно сжиганию 100 грамм угля. Если иметь в виду многочисленные неудачи с воспроизведением результатов предыдущих экспериментов и десятилетия, потраченные на создание NIF, это действительно значительное достижение.
Что это означает для термоядерного синтеза?
С другой стороны, если посмотреть на тот же результат в историческом контексте, он может показаться довольно грустным: сложно представить, чтобы создатели NIF рассчитывали на такой долгий и неблагодарный путь на старте проекта. Еще сложнее — понять, какое влияние полученные результаты окажут на других специалистов области, которые в большинстве своем работают над созданием установок иного принципа — магнитных ловушек. Да и точность, которой потребовало производство мишеней для эксперимента, не вселяет особой надежды (интересно, что в 2021 году ученым удалось добиться не намного худшего результата — 70% энергии, поглощенной топливом, было выделено в ходе реакции, однако тот эксперимент очень долго не получалось воспроизвести; как оказалось, именно из-за сложностей с мишенями).
Конечно, NIF никогда не рассматривался в качестве прототипа будущей термоядерной установки (в отличие от ITER), но даже как прототип он уж очень далек от реального применения, несмотря на все намеки на «чистую энергию» в пресс-релизе о событии. Главная задача NIF на самом деле всегда была в стороне от реального применения в энергетике. Она заключалась в том, чтобы изучать термоядерные реакции в чистых лабораторных условиях в мире, где ядерные испытания запрещены, и учитывать полученные данные для моделирования ядерных взрывов. Как ученые справились с этой задачей — мы, конечно, не знаем и, видимо, узнаем не скоро. Но можно порадоваться хотя бы тому, что «гражданская» часть программы NIF спустя много лет все-таки выполнена.
Александр Ершов, Медуза