Звіт у Financial Times свідчить про те, що Національний запалювальний завод США спровокував реакцію термоядерного синтезу з чистим збільшенням енергії, але що це означає?
 |
| Національний центр запалення США використовує лазери для стиснення паливної капсули Ліверморська національна лабораторія імені Лоуренса/Shutterstock |
Що такого хорошого в термоядерному синтезі?
Сучасні атомні електростанції засновані на реакціях поділу, під час яких атоми розбиваються на частини, щоб вивільнити енергію та менші частинки. Термоядерний синтез працює по-іншому, стискаючи дрібніші частинки разом у більші атоми – той самий процес, який діє на нашому Сонці. Термоядерний синтез може створити більше енергії без радіоактивних відходів, але стримувати та контролювати таку реакцію виявилося величезною проблемою як для фізиків, так і для інженерів.
Що сталося і що таке займання?
У грудні 2022 року дослідники з Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса (LLNL) у Каліфорнії досягли історичної віхи: вони отримали більше енергії від реакції термоядерного синтезу, ніж витратили. Термоядерний реактор лабораторії National Ignition Facility (NIF) використовував лазери, щоб створити достатньо тепла та тиску, щоб перетворити дейтерій і тритій – ізотопи водню – на плазму, в якій може відбуватися синтез. Ці лазери виробляють 2,1 мегаджоуля енергії, але реактор виробляє близько 2,5 мегаджоуля, тобто приблизно на 20 відсотків більше. Незважаючи на те, що ці цифри й близько не відповідають такому співвідношенню, яке знадобилося б для запуску комерційного реактора, це вселило життєву надію на те, що термоядерні реактори є життєздатною метою.
Тепер лабораторія, як повідомляється, створила друге запалювання – термін для реакції, яка перевершує беззбитковість – і покращила ці цифри, коли реактор виробляв близько 3,5 мегаджоулів. Згідно з повідомленням у Financial Times, експеримент відбувся 30 липня.
«З моменту першої демонстрації термоядерного запалювання на National Ignition Facility у грудні 2022 року ми продовжували проводити експерименти для вивчення цього захоплюючого нового наукового режиму. В експерименті, проведеному 30 липня, ми повторили займання на NIF. Аналіз цих результатів триває. Згідно з нашою стандартною практикою, ми плануємо повідомляти про ці результати на майбутніх наукових конференціях і в рецензованих публікаціях», — сказав New Scientist представник LLNL.
Чи означає це, що термоядерну енергію вирішено?
Якщо коротко, то ні.
Одна з проблем полягає в тому, що хоча потужність реактора вища, ніж потужність лазера, самі лазери дуже неефективні. Щоб створити 2,1 мегаджоуля енергії, вони споживають 500 трильйонів ват, що перевищує потужність, яку виробляє вся національна мережа США. Таким чином, серйозним завданням на майбутнє є створення реакції, яка не відповідає загальним потребам у енергії, і не лише кінцевій лазерній стадії.
Інша проблема полягає в тому, що реактор NIF може запуститися лише один раз, протягом кількох мільярдних часток секунди, перш ніж йому доведеться витратити кілька годин на охолодження своїх компонентів, щоб знову ввімкнутись. Комерційний реактор мав би працювати майже безперервно з кількома запалюваннями за секунду.
І, звісно, навіть коли реактор може працювати протягом тривалого часу й компенсувати свої справжні потреби в енергії за рахунок лазерів, він все одно буде лише беззбитковим. Щоб термоядерний синтез став життєздатною альтернативою існуючим джерелам енергії, ми повинні бути в змозі видобувати велику кількість чистої енергії – достатньо, щоб величезні витрати на його будівництво виправдали.
Що говорять люди?
Джеремі Чіттенден з Імперського коледжу Лондона каже, що більшість фізиків вважають справжньою віхою експеримент 2021 року від LLNL, де було доведено, що цей тип реактора взагалі може працювати, незалежно від потужності.
«Результат у грудні минулого року став першим випадком, коли ми отримали більше енергії, ніж віддали, і тому це було сприйнято як більшу новину. Але насправді – з наукової точки зору – це був лише наслідок того, що вони продемонстрували роком раніше. І це, по суті, як ви знаєте, подальше збільшення цієї рекордної врожайності», — каже він.
Чіттенден каже, що останні досягнення були досягнуті шляхом контролю реакції протягом більш тривалого періоду часу, збільшення кількості енергії, яка витягується. Зараз під час експериментів LLNL спалюється лише кілька відсотків палива.
«Це, по суті, успішна демонстрація того, що тепер вони розуміють, як контролювати та утримувати плазму довше та виводити більше енергії», — каже він. «Треба запалити сірник, запустити процес спалювання, а потім просто тримати сірник так довго, як тільки зможеш, перш ніж обпалити пальці».
Чи буде вирішено питання термоядерного синтезу в майбутньому?
Хоча це все ще неможливо сказати напевно, оскільки попереду можуть бути непереборні проблеми, приводів для оптимізму більше, ніж будь-коли. Віха запалювання фактично доводить, що наука надійна, і робить проблему інженерною, а не фізичною.
Існує два основні дослідницькі підходи, спрямовані на досягнення життєздатного ядерного синтезу. Один використовує магнітні поля для утримання плазми, а інший використовує лазери. NIF використовує другий підхід, відомий як інерційний термоядерний синтез, коли крихітну капсулу, що містить водневе паливо, підривають лазерами, що змушує її нагріватися та швидко розширюватися. Але є безліч стартапів, які працюють над незвичайними дизайнами, і всі вони мають потенціал для прориву. Усі ці експерименти допомагають нам краще зрозуміти проблему та знайти найкращий шлях вперед.
Хоча ми, ймовірно, побачимо подальше підвищення ефективності реактора LLNL, знадобляться фундаментальні зміни, щоб зробити таку конструкцію комерційною, каже Чіттенден.
«Це за своєю суттю неефективно, оскільки цей непрямий підхід, тобто перетворення лазерів на рентгенівські промені, означає, що нам доведеться нагрівати набагато більше матеріалу, ніж, наприклад, якби ми використовували лазери для безпосереднього нагріву палива».
Але ясно одне: оскільки до роботи термоядерного реактора ще принаймні багато років, ми не можемо покладатися на технології для вирішення кризи зміни клімату. Реактори термоядерного синтезу стануть, мабуть, найбільшою винагородою, яку коли-небудь отримували від скоординованих дослідницьких зусиль, що тривають понад століття, але в короткостроковій та середньостроковій перспективі чиста та надлишкова енергія повинна надходити з відновлюваних джерел.
