Четыре прорыва к термоядерной энергетике: мечта о чистой энергии становится реальностью

Помните тот громкий анонс в декабре 2022 года? После десятилетия проб и ошибок учёные из Национальной зажигательной лаборатории (NIF) заявили, что им наконец удалось добиться «зажигания» — термоядерной реакции, которая выделяет больше энергии, чем потребляет лазер для её запуска.

Теперь они доказали: то был не случайный фейерверк, а устойчивый результат. Зажигание повторилось несколько раз. Прогресс налицо.

Переломный момент: термояд перестал быть теорией

Лазерная установка размером со стадион в Ливерморской лаборатории в Калифорнии наконец-то оправдала своё имя. В четырёх из последних шести попыток она добилась воспламенения, создав внутри мишени давление и температуру, которые превосходят солнечные!

«Думаю, мы все можем гордиться этим достижением», — заявил журналу Nature физик Ричард Таун, курирующий программу по термоядерному синтезу в лаборатории. И он прав.

Повторю важный нюанс: NIF строилась как инструмент для исследований в области ядерного оружия, а не как прототип электростанции. Но её успехи неожиданно дали мощнейший импульс именно мирной энергетике. Парадоксально, не правда ли?

Энтузиазм заразителен. На климатическом саммите COP28 спецпосланник США Джон Керри призвал к международному сотрудничеству в развитии термояда. А Министерство энергетики США тут же анонсировало создание трёх новых исследовательских центров на базе ведущих лабораторий и университетов.

Создание NIF когда-то было гигантским «прыжком веры». И её успех стал убедительным ответом скептикам. «Учёные не только пообещали, что смогут что-то сделать — они действительно это сделали», — отмечает физик Саския Мордейк.

Как это работает: лазерный выстрел в будущее

Принцип действия NIF одновременно гениален и сложен. 192 мощнейших лазерных луча бьют по крошечной мишени — замороженной таблетке из изотопов водорода, помещённой в алмазную капсулу внутри золотого цилиндра. Лучи вызывают имплозию — внутренний взрыв, в ходе которого изотопы сливаются, рождая гелий и выделяя колоссальную энергию. Примерно то же самое происходит в недрах Солнца.

5 декабря 2022 года реакция впервые произвела на 54% больше энергии, чем потратили лазеры. А 30 июля 2023-го был поставлен новый рекорд: при том же вкладе в 2.05 мегаджоуля выход составил 3.88 мегаджоуля — почти на 90% больше! Два успешных «зажигания» последовали в октябре. Эксперименты в июне и сентябре тоже показали положительный баланс, но чуть не дотянули до официального подтверждения.

Лаборатория вышла на новый уровень. Теперь учёные могут воспроизводить зажигание снова и снова, хотя мельчайшие дефекты капсулы или неточности в импульсе всё ещё могут «сорвать» реакцию. Но главное — появилось понимание, как всеми этими параметрами управлять.

«Даже когда возникают проблемы, мы всё равно можем получить на выходе больше мегаджоуля энергии. И это уже отличный результат», — говорит Энни Критчер, руководившая этой серией экспериментов.

Долгий путь к розетке: что мешает термояду?

Не будем обольщаться: до электростанции, питающей города, ещё очень далеко. NIF — это в первую очередь научный инструмент, а не энергетическая установка. Её лазерная система чудовищно неэффективна: более 99% энергии теряется, не доходя до мишени. До КПД даже паровоза ей, как говорится, как до Луны.

Именно создание эффективных и быстрых лазерных систем — одна из целей новой государственной программы США. Те самые 42 миллиона долларов на три центра — это инвестиция в инженерную мысль. Нужно объединить усилия национальных лабораторий, университетов и частных компаний.

«Эти инвестиции — первая скоординированная попытка создать не просто технологии, а работающий прототип для будущей индустрии», — объясняет Кармен Менони, глава центра в Университете штата Колорадо.

До сих пор государственные деньги в основном вкладывались в токамаки — «пончики», удерживающие плазму магнитным полем (как в международном проекте ИТЭР). Частные инвестиции тоже часто шли туда же. Но теперь, после успехов NIF, на лазерный синтез обратили пристальное внимание десятки компаний.

Менони уверена: время для специализированной программы по лазерному синтезу настало именно сейчас. «Теперь мы знаем, что технология работает в принципе. Но потребуется время, чтобы довести её до уровня полноценной электростанции».

Эксперименты в NIF продолжатся. Учёные уже увеличили энергию лазера на 7%, что теоретически должно дать больший выход. Первый же опыт с новой конфигурацией 30 октября принёс успешное зажигание, хоть и не рекордное.

Критчер отмечает, что для рекордов, возможно, понадобятся мишени побольше. Но сначала команда сосредоточится на том, чтобы сделать взрыв внутри капсулы идеально симметричным. «В следующем году у нас запланировано ещё четыре эксперимента, — говорит она. — Посмотрим, что получится».