Ядра — чистый изумруд

Впервые продемонстрирован положительный выход энергии в реакции термоядерного синтеза

В Financial Times опубликовано заявление министра энергетики США Дженнифер Грэнхольм о том, что впервые в истории американскими учеными достигнут позитивный выход энергии в реакции термоядерного синтеза.

Чтобы понять, что нового произошло, напомним, как устроен термоядерный синтез, который пытаются осуществлять на Земле. Для этого используют тяжелые изотопы водорода — дейтерий и тритий. Дейтерий состоит из протона и нейтрона, тритий — из протона и двух нейтронов. Если «сорвать» с них электроны (то есть превратить в плазму) и сблизить их ядра на очень близкое расстояние, они сольются и породят ядро обычного гелия (два протона, два нейтрона) и один свободный нейтрон. Плюс очень много энергии.

Не пытайтесь сблизить ядро дейтерия и трития кустарными способами. Молоток, тиски и клещи тут не помогут: ядра бешено отталкиваются друг от друга, потому что имеют положительный электрический заряд. Нужны высокое давление, плотность и температура, чтобы реакцию ядерного синтеза можно было запустить.

Как заставить плазму при высокой температуре и давлении не разлетаться в разные стороны? Этого пытаются достичь двумя методами: магнитным удержанием плазмы и инерционным способом.

Магнитное удержание плазмы придумано советскими физиками, тип соответствующей установки носит название токамак — от русских слов «тороидальная камера с магнитными катушками». Идея его в следующем. В вакуумной камере находятся дейтерий и тритий. За счет электромагнита в центре тора создается ток в плазме дейтерия и трития. Благодаря этому она начинает разогреваться. Сильными магнитами создается сложное магнитное поле, которое может удерживать плазму в кольце внутри тороидальной камеры. При разогреве выше определенной температуры в плазме начнется термоядерная реакция. Выделяемая энергия нагревает модули охлаждения, которыми окружена тороидальная камера. Эту энергию можно направить на полезные нужды.

Инерционное удержание устроено по-другому. Пеллета (маленькое зернышко) «топлива», содержащая несколько миллиграммов дейтерия и трития, подвергается действию мощного излучения. Внешний пластиковый слой пеллеты взрывается и испаряется, за счет этого создается давление на внутренние слои пеллеты, содержащие дейтерий и тритий, и они сжимаются. При правильном подборе параметров можно установить такой режим сжатия, когда в пеллете пойдет термоядерная реакция. Именно по такому принципу работает установка в Ливерморе, об успехах которой отчитался главный американский энергетик.

Почему это важно?

В уже очень недалекой перспективе будут исчерпаны запасы ископаемого топлива. Возобновляемых ресурсов — гидроэлектростанций, ветро- и солнечных установок — человечеству явно не будет хватать. В то же время термоядерный синтез мог бы обеспечить землян практически неограниченным источником энергии.

Но для начала нужно показать, что синтез вообще работает, то есть что термояд в земных условиях можно запустить. Это сделано достаточно давно. Но пока что никому не удавалось сделать суммарный энергетический выход положительным. Это значит, что энергии в лазерные импульсы, которыми «обжимается» и разогревается пеллета топлива, закачивалось больше, чем получали в результате синтеза.

Достижение ливерморской лаборатории в том, что наконец-то энергии при термоядерном синтезе получено больше, чем суммарная энергия лазерных импульсов. 5 декабря в Ливерморе «закачали» в пеллету энергии примерно 2 мегаджоуля, а на выходе получили 3 мегаджоуля. Разница энергий — примерно столько, сколько вы тратите на кипячение одного чайника воды.

Это только начало длинного пути, и еще неизвестно, приведет ли он к промышленному использованию энергии термояда. Пока что продемонстрирован сам принцип — что можно получить положительный выход энергии. Но это еще не означает «прибыльного» термояда. Дело в том, что на создание импульсов потрачено в разы больше энергии. Это означает, что нужно в самой реакции получить не в полтора раза больше энергии, чем закачано импульсов, а в 30–40 раз больше! Только тогда вся установка в целом станет энергетически и экономически эффективной.

Есть ли пути решения этой проблемы? Да, разумеется. Это и более современные лазеры с большим КПД, и уменьшение потерь на нагревание реакционной камеры. Но до реального экономического использования термояда пройдут, видимо, еще десятилетия.