Недавние результаты, полученные на объекте Joint European Torus или JET (крупнейший в мире действующий экспериментальный термоядерный реактор для удержания физической плазмы магнитным полем) в Великобритании, вызвали огромный ажиотаж, намекая на то, что мечта о термоядерной энергетике приближается к реальности. Мы знаем, что термоядерный синтез уже работает — это процесс, который питает Солнце, обеспечивая Землю теплом и светом. Но на протяжении десятилетий переход от научных лабораторных экспериментов к устойчивому производству энергии оказывался трудным. Фундаментальная цель термоядерного синтеза состоит в объединении атомных ядер, чтобы создать другое, более тяжелое ядро, высвобождая при этом энергию. Это отличается от ядерного деления, при котором тяжелое ядро, такое как уран, расщепляется на более мелкие с высвобождением энергии. Значительную трудность представлял процесс сплавления вместе легких атомов, изотопов водорода или гелия. Поскольку они электрически заряжены и отталкивают друг друга, они сопротивляются слиянию, если только ядра не движутся достаточно быстро, чтобы физически приблизиться друг к другу на очень близкое расстояние, что требует экстремальных условий. Солнце достигает этого в своей основе благодаря большим гравитационным полям и огромному объему. Одним из подходов, используемых в лабораториях на Земле, является «инерционное удержание», при котором крошечная таблетка термоядерного топлива диаметром около одного миллиметра нагревается и сжимается извне с использованием лазерной энергии. В последние годы был достигнут некоторый обнадеживающий прогресс. В прошлом году сообщалось о выходе термоядерного синтеза в 1,3 миллиона джоулей на Национальной установке по воспламенению в США. Процесс произвел 10 квадриллионов ватт энергии, но длилось это всего 90 триллионных долей секунды. Другой метод — магнитное удержание — более широко используется в лабораториях по всему миру и считается одним из многообещающих путей создания термоядерных электростанций в будущем. Он предполагает использование термоядерного топлива, содержащегося в виде горячей плазмы — облака заряженных частиц, удерживаемых сильными магнитными полями. При создании условий для протекания термоядерных реакций система локализации должна поддерживать температуру и плотность топлива в течение достаточного времени. В этом заключается значительная часть проблемы. Небольшое количество термоядерного топлива (обычно всего несколько граммов) необходимо нагреть до высоких температур — в 10 раз выше, чем в центре Солнца (150000000°C). И это должно происходить при сохранении удержания в магнитной клетке для поддержания выхода энергии. Можно использовать различные механизмы, чтобы попытаться сохранить это магнитное удержание плазмы, но наиболее успешной на сегодняшний день является конструкция «токамак», в которой для удержания плазмы используется тор (в форме пончика) и сложные магнитные поля, как на объекте JET. Маленький шаг или большой скачок? Недавние результаты знаменуют собой настоящий трамплин в поисках термоядерной энергии. Всего 59 миллионов джоулей энергии, произведенных за пятисекундный период, дали среднюю мощность термоядерного синтеза порядка 11 миллионов ватт. Этого достаточно, чтобы нагреть только около 60 чайников, но, тем не менее, выход энергии в два с половиной раза превышает предыдущий рекорд, установленный еще в 1997 году (также на установке JET, достигший 22 миллионов джоулей). Успех JET является кульминацией многолетнего планирования и высококвалифицированной команды преданных своему делу ученых и инженеров. В настоящее время JET является крупнейшим токамаком в мире и единственным устройством, способным использовать как дейтериевое, так и тритиевое топливо (оба изотопа водорода). Конструкция машины с использованием медных магнитов, которые быстро нагреваются, означает, что она может работать только со всплесками плазмы длительностью до нескольких секунд. Чтобы сделать шаг к более продолжительным работам с высокой мощностью, потребуются сверхпроводящие магниты. К счастью, это сможет обеспечить объект ITER, который в настоящее время строится на юге Франции с участием 35 стран. В настоящее время он завершен на 80%. Таким образом, недавние результаты вселили большую уверенность в технический проект и физические характеристики конструкции машины ITER, а также устройства магнитного удержания, которое рассчитано на производство 500 миллионов ватт термоядерной мощности. Однако остаются другие важные проблемы. К ним относятся разработка достаточно прочных материалов, способных выдерживать сильное давление внутри машины, огромные выбросы мощности и, что наиболее важно, генерировать энергию, которая экономически конкурентоспособна по сравнению с другими формами производства энергии. Достижение заметной выходной мощности и ее поддержание в течение очень коротких периодов времени оказалось главной проблемой термоядерного синтеза на протяжении десятилетий. Без ее окончательного решения невозможно заставить работать термоядерную силовую установку. Вот почему результаты JET представляют собой важное событие, хотя являются лишь небольшим шагом на этом пути. Гигантский скачок произойдет с масштабированием текущих достижений в области термоядерного синтеза в последующих термоядерных системах, таких как ITER, а затем и в демонстрационных электростанциях. Ввод в эксплуатацию механизма должен произойти в не столь отдаленном будущем — примерно к 2050-м годам или, возможно, немного раньше. Важнейшие преимущества На кон поставлено многое. Термоядерный синтез производит больше энергии на грамм топлива, чем любой другой процесс, который можно было бы осуществить на Земле. Некоторые из основных преимуществ термоядерного синтеза заключаются в том, что продуктами процесса являются гелий и нейтроны (частицы, составляющие атомное ядро, наряду с протонами) — при этом не выделяется углекислый газ или другие парниковые газы. Необработанными видами топлива являются дейтерий, который можно найти в морской воде, и литий, которого много на солончаках. Потенциальная энергия синтеза лития, содержащегося в одном аккумуляторе для ноутбука, соотносится с 40 тоннами угля. Термоядерный синтез действительно производит некоторую радиоактивность в материалах, из которых состоит реактор. Но ожидается, что он не будет таким же долгоживущим или интенсивным, как радиоактивные отходы, образующиеся в результате ядерного деления, что делает его потенциально более безопасным и привлекательным выбором. Напомним, что Рим строился не за один день. Другие различные аспекты человеческой изобретательности, такие как авиация, исторически требовали значительного времени для своего развития. Это означает, что даже маленькие шаги на этом пути, ведущие к прогрессу, чрезвычайно важны и должны быть по праву оценены. Термоядерный синтез неумолимо продвигается вперед, и мы приближаемся к осуществлению когда-то далекой мечты о коммерческой термоядерной энергии. Однажды она обеспечит почти неограниченный запас низкоуглеродной энергии для будущих поколений. По материалам статьи «Nuclear fusion: how excited should we be?» The Conversation