С 1950-х годов ученые стремятся перенести ядерный синтез - реакцию, которая питает Солнце, - на Землю.
Сразу после часа ночи 5 декабря ученые из Национальной установки зажигания (NIF) в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) в Калифорнии наконец-то достигли важной вехи в истории ядерного синтеза: добились реакции, которая создает больше энергии, чем вкладывают ученые.
Этот момент еще не приведет к появлению термоядерной электростанции в вашем городе, но это важный шаг к цели, к которой ученые стремились с самого начала своих поисков.
"Это закладывает основу", - говорит Тэмми Ма, ученый из LLNL, на сегодняшней пресс-конференции Министерства энергетики США. "Это демонстрирует базовую научную целесообразность".
Снаружи NIF представляет собой неприметное промышленное здание в полузасушливой долине к востоку от Сан-Франциско. Внутри же ученые в буквальном смысле слова работают с энергией звезд (чередуя это с другой основной задачей NIF - исследованием ядерного оружия).
Ядерный синтез - это способ, с помощью которого Солнце генерирует тепло и свет, согревающие и освещающие Землю для поддержания жизни. При этом происходит дробление атомов водорода. В результате реакции образуется гелий и энергия - довольно много энергии. Благодаря этому вы живы сегодня, а Солнце не производит при этом ни малейшего парникового газа.
Но чтобы превратить термоядерный синтез в хоть что-то похожее на источник энергии для землян, необходимы условия, соответствующие сердцу Солнца: температура в миллионы градусов. Для создания имитации такой среды на Земле требуется огромное количество энергии - намного больше, чем обычно производят исследователи.
Лазеры, направленные на крошечную цель
На протяжении десятилетий ученые пытались ответить на один фундаментальный вопрос: Как точно настроить эксперимент по термоядерному синтезу, чтобы создать правильные условия для реального получения энергии?
Ответ NIF включает в себя арсенал мощных лазерных лучей. Сначала специалисты заполняют позолоченный цилиндр открытого типа размером с арахис (известный как hohlraum) гранулами размером с перчинку, содержащими дейтерий и тритий - формы атомов водорода, которые поставляются с дополнительными нейтронами.
Затем они запускают лазер, который разделяется на 192 тонко настроенных луча, которые, в свою очередь, входят в hohlraum с двух сторон и поражают его внутреннюю стену.
"Мы не просто бьем по цели всей энергией лазера сразу", - говорит Энни Критчер, ученый из NIF, на пресс-конференции. "Мы распределяем очень конкретные мощности в очень конкретное время, чтобы достичь желаемых условий".
Когда камера нагревается до миллионов градусов под воздействием лазерного излучения, она начинает производить каскад рентгеновских лучей, которые с силой омывают топливную таблетку. Они срывают углеродную внешнюю оболочку таблетки и начинают сжимать водород внутри, нагревая его до сотен миллионов градусов, сжимая и дробя атомы до давления и плотности выше, чем в центре Солнца.
Если все идет хорошо, это запускает процесс синтеза.
В этом металлическом корпусе, называемом hohlraum, хранится крошечный кусочек термоядерного топлива. Эдуард Девальд/LLNLНовый мировой рекорд
Когда NIF был запущен в 2009 году, мировой рекорд по термоядерному синтезу принадлежал Объединенному европейскому торусу (JET) в Великобритании. В 1997 году, используя метод на основе магнитов, известный как токамак, ученые из JET произвели 67 процентов энергии, которую они вложили.
Этот рекорд продержался более двух десятилетий до конца 2021 года, когда ученые NIF превзошли его, достигнув 70 процентов. Вслед за этим многие наблюдатели за лазером прошептали очевидный вопрос: Может ли NIF достичь 100 процентов?
Но термоядерный синтез - наука, как известно, тонкая, и результаты того или иного термоядерного эксперимента трудно предсказать. Любой настолько горячий объект захочет остыть вопреки желанию ученых. Крошечные, случайные различия в установке - от угла наклона лазерных лучей до незначительных недостатков в форме гранул - могут внести огромную разницу в результат реакции.
Именно по этой причине каждый тест NIF, который занимает около миллиардной доли секунды, включает месяцы тщательного планирования.
"Вся эта работа привела к тому, что в прошлый понедельник, сразу после часа ночи, мы сделали выстрел... и когда начали поступать данные, мы увидели первые признаки того, что мы произвели больше энергии термоядерного синтеза, чем потреблял лазер", - сказал на пресс-конференции Алекс Зилстра, ученый из NIF.
На этот раз лазер NIF подал в гранулу 2,05 мегаджоуля, и гранула выпустила 3,15 мегаджоуля (этого достаточно, чтобы обеспечить энергией средний американский дом в течение 43 минут). Ученые NIF не только достигли рубежа 100-процентного воспламенения, но и пошли дальше, достигнув более 150 процентов.
"Если честно... мы не удивлены", - говорит Майк Дональдсон, системный инженер компании General Fusion, частной фирмы из Ванкувера (Канада), которая стремится построить коммерчески жизнеспособную термоядерную установку к 2030-м годам, который не участвовал в эксперименте NIF. "Я бы сказал, что все идет по плану. Это действительно кульминация многих лет постепенного прогресса, и я думаю, что это фантастика".
Но есть одна загвоздка
Эти цифры учитывают только энергию, полученную от лазера - без учета того факта, что этому лазеру, одному из самых больших и сложных на планете, для включения потребовалось около 300 мегаджоулей из электрической сети Калифорнии.
"Лазер не был разработан для того, чтобы быть эффективным", - говорит Марк Херрманн, ученый из LLNL, на пресс-конференции. "Лазер был разработан для того, чтобы давать как можно больше сока". Балансировка этого жаждущего энергии лазера может показаться сложной задачей, но исследователи настроены оптимистично. Лазер был создан на основе технологии конца XX века, и руководители NIF говорят, что они видят путь к тому, чтобы сделать его более эффективным и даже более мощным.
Даже если они это сделают, специалистам необходимо выяснить, как производить повторные выстрелы, которые будут накапливать энергию. Это еще одна серьезная задача, но это ключевой шаг к тому, чтобы сделать эту базу жизнеспособной для электростанции.
"Научные результаты, подобные сегодняшним, - это фантастика", - говорит Дональдсон. "Мы также должны сосредоточиться на всех других проблемах, которые необходимы для того, чтобы сделать термоядерный синтез коммерческим".
В термоядерной электростанции вполне может быть использована другая техника. Многие экспериментальные реакторы, такие как JET и строящийся ITER на юге Франции, вместо лазеров пытаются воссоздать Солнце, используя мощные магниты для формирования и создания сверхгорячей плазмы в специально спроектированной камере. Большинство частных проектов по термоядерному синтезу, которые в последнее время приобрели массовый характер, также направляют свои усилия на магнитные методы.
В любом случае, пройдет еще много времени, прежде чем вы прочтете подобную статью об устройстве, работающем на дешевой термоядерной энергии, но этот день, вероятно, приблизился на важную веху.
"Прошло 60 лет с тех пор, как впервые возникла мечта о зажигании с помощью лазеров", - сказал Ма на пресс-конференции. "Это действительно свидетельство настойчивости и преданности людей, которые добились этого. Это также означает, что у нас хватит настойчивости дойти до термоядерной энергии в сети".