«Это все изменит». Что последует за прорывом в ядерном синтезе
- Как зажечь мини-солнце
- «Вылизывали годами»
- «История разделилась на до и после»
- Термояд в России
Спустя полвека после создания теории термоядерного синтеза ученым впервые удалось добиться существенных практических результатов. Успеха достигли американские ученые на объекте, созданном для поддержания ядерного потенциала США. Тем временем в России готовится к запуску подобная установка — она будет намного мощнее заокеанского аналога.
Как зажечь мини-солнце
Термоядерная энергетика — это попытка воссоздать маленькое Солнце в земных условиях.
Размеры и внутренняя гравитация звезды делают возможным синтез протонов водорода, в результате чего выделяется гелий. Чтобы воспроизвести это на Земле, необходимо сильно либо нагреть вещество (до температур, намного превышающих солнечные), либо его сжать.
Для этого эффективнее всего сталкивать между собой изотопы водорода — дейтерий и тритий (D-T). Главная задача — сделать так, чтобы выделившаяся энергия была больше той, что потратили на нагревание. Этот момент физики называют зажиганием, после которого начинается горение — самоподдерживающийся процесс.
Термоядерный синтез дейтерия и трития
Добиться термоядерного зажигания пытаются разными способами. В частности, с помощью токамака — бубликоподобной камеры, в которой раскаленная дейтерий-тритиевая плазма удерживается магнитным полем. Масштабную установку такого типа — ИТЭР — строят во Франции с участием России и других стран.
Американский «Национальный комплекс зажигания» (National Ignition Facility, NIF) — объект двойного назначения, уходящий корнями в «Манхэттенский проект». Там проверяют компоненты ядерного оружия, а также, как следует из названия, стремятся запустить термоядерный синтез.
«Вылизывали годами»
Комплекс — размером со стадион. Лазерные установки занимают целые ангары, 192 излучателя подведены к десятиметровой камере и направлены в так называемый хольраум — полый золотой цилиндр, в котором — крошечная капсула с D-T.
Лазеры быстро нагревают стенки хольраума, на капсулу воздействует рентгеновское излучение — и «горошина» динамически схлопывается.
«Фактически происходит взрыв внутрь. Вещество сжимается до плотности, в 100 раз превышающей показатели самого твердого тела на Земле», — объясняет РИА Новости директор Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ Андрей Кузнецов.
Хольраум с топливом
Температура и давление подобны тем, что в ядрах звезд и планет-гигантов, а также при взрыве ядерного оружия.
В NIF планировали добиться зажигания уже в 2012-м. Однако выделенная энергия оказалась в десять раз меньше затраченной. Проект чуть не закрыли. Помогла самоотверженность ученых, объясняют в пресс-релизе Ливерморской национальной лаборатории.
«Долгое время у них ничего не получалось. Проблем было много. Например, мишень должна сжиматься равномерно. Она как воздушный шарик: если давить в одном месте — в другом вылезает. Годами американцы «вылизывали» свою систему», — говорит заместитель директора «ИТЭР-Центра» по техническим вопросам Леонид Химченко.
Капсула с D-T смесью (мишень для лазеров)
Ученые экспериментировали с оболочкой (бериллий, пластик), в итоге — монокристалл сапфира. Шероховатости не превышают десяти нанометров, отмечает Кузнецов.
«Применили мощнейший математический аппарат. Теоретики очень много занимались экстремальным сжиманием вещества. Проверяли расчеты на малых установках. Кадры там серьезные: академики, институты — как открытые, так и закрытые», — перечисляет Химченко.
«История разделилась на до и после»
В 2017-м — первые успехи. Систему продолжали совершенствовать. И вот 5 декабря 2022-го получили 3,15 мегаджоуля, потратив всего 2,05. Некоторые измерительные приборы вышли из строя. Несколько дней все проверяли. О сенсации первой сообщила газета Financial Times. Во вторник, 13 декабря, поступило официальное подтверждение.
«История термояда разделилась на эпохи — до этого эксперимента и после него», — подчеркивает Кузнецов.
Часть установки, в которой была запущена реакция синтеза
По мнению Химченко, достижение NIF — огромный успех всей термоядерной отрасли, поскольку доказана ее перспективность, независимо от вида установок. «Значит, мы на правильном пути. Это дает силы ускориться. Если кто-то из сообщества первым достиг цели, то остальные должны «подтянуться», — поясняет он.
Конечно, до коммерческих термоядерных электростанций еще далеко. КПД NIF крайне низкий. Хотя лазеры передали на мишень два мегаджоуля, для этого в установку пришлось закачать более 400 мегаджоулей энергии. У NIF была научная задача — подтвердить расчеты теоретиков. Ожидается, что к промышленному применению термояда человечество приблизит ИТЭР.
Термояд в России
В России есть аналог NIF — причем куда более мощный. В саровском ядерном центре готовится к запуску лазерная установка для экспериментов по управляемому термоядерному синтезу УФЛ-2М. Общая подводимая к мишени энергия достигает 4,6 мегаджоуля.
Впрочем, электростанции на «маленьком Солнце» — не единственное потенциальное предназначение термоядерных установок. Одновременно они являются нейтронными источниками, которые можно использовать в гибридной энергетике. Известно, что при выделении из урановой руды «рабочего» материала для атомных станций образуется и скапливается большое количество слаборадиоактивных отходов — урана-238. Однако под нейтронным потоком он преобразуется в плутоний, а это уже ядерное топливо. Только в России запасов накопленного урана-238 в «отвалах» хватит на сотни и даже тысячи лет.
«У нас в стране есть проект «Прорыв», реактор БРЕСТ на быстрых нейтронах и программа осуществления так называемого замкнутого топливного цикла», — отмечает Химченко. По его словам, Россия располагает всем необходимым, чтобы добиться выдающихся научных и экономических результатов.
