Рукотворное солнце. Объясняем эпохальную термоядерную реакцию максимально понятным языком

Американские ученые объявили о принципиально важном, в некотором смысле даже эпохальном событии на пути к созданию термоядерных электростанций. Впервые в истории физикам удалось провести контролируемую термоядерную реакцию, получив на выходе больше энергии, чем было потрачено на то, чтобы эту реакцию запустить.

Чтобы оценить масштаб достижения, достаточно сказать, что над решением этой задачи на протяжении последних семи десятилетий ломали головы самые гениальные физики мира, включая полдюжины нобелевских лауреатов.

Первое экспериментальное подтверждение теоретических расчётов более чем полувековой давности в лабораторных условиях – событие и правда историческое. И всё же на пути к заветной цели – мечте учёных о бесконечном источнике чистой энергии – это всего лишь очередной шаг, пусть и принципиально важный.

"Русская служба Би-би-си" простым языком объясняет, что такое термоядерная реакция и почему новость об успешном проведении эксперимента в США наделала столько шума – не только в научном мире, но и далеко за его пределами. А также ищет ответ на главный вопрос: когда же, наконец, сказочная перспектива использования термоядерных электростанций перестанет быть перспективой и станет реальностью.

Что вообще такое термоядерная реакция?

Если совсем просто, термоядерный синтез – это процесс слияния двух атомов.

Только не присоединение их друг к другу (как два атома водорода образуют молекулу Н₂), а именно слияние их в единое целое.

То есть превращение одного химического элемента в другой, более тяжёлый. Два атома всё того же водорода, например, сольются в атом гелия – с выделением значительного количества энергии.

Чтобы такая реакция стала возможной, необходима огромная температура (она фактически отрывает от атомов электроны, обнажая их ядра) и чудовищное давление, которое буквально вдавливает эти ядра друг в друга.

Именно это происходит в недрах звезд, и именно колоссальная энергия термоядерного синтеза поддерживает жар на Солнце, позволяя ему освещать и обогревать нашу планету.

Если бы то же самое можно было повторить здесь, на Земле, тогда человечество получило бы доступ к совершенно новому, практически неограниченному источнику энергии.

Читайте также: "Спутник, водка, токамак". Во Франции начали строить искусственное солнце

Более того, как в один голос уверяют эксперты, произведённая путём термоядерного синтеза энергия будет не только дешёвой, но и экологически чистой.

Топливо для электростанций можно будет черпать прямо из Мирового океана – там его предостаточно. При этом в процессе реакции не выделяется никаких парниковых газов, а на выходе не остаётся никаких радиоактивных отходов. Мечта да и только.

Но как такое возможно на Земле?

В теории создать необходимые условия на нашей планете вполне возможно. Именно термоядерный синтез положен в основу действия водородной бомбы, питая её практически неограниченную разрушительную силу.

Только там для создания необходимых для термоядерной реакции давления и температуры используется энергия обычного ядерного взрыва. А уже он, в свою очередь, запускает процесс неконтролируемого термоядерного синтеза, высвобождая энергию, способную за считанные секунды уничтожить всю нашу планету.

Чтобы использовать эту энергию в мирных целях, её нужно каким-то образом собрать, а для начала – хотя бы просто удержать в каком-то ограниченном пространстве.

Но как это сделать, если температура, запускающая процессы термоядерного синтеза, измеряется миллионами градусов? Чем удержать раскаленную плазму, одно прикосновение которой способно даже не расплавить, а мгновенно испарить любое вещество?

Читайте также: Ручное солнце. Когда термоядерные реакторы станут реальностью

Первыми ответ на этот вопрос предложили в 1950-е годы советские физики: можно запереть плазму в ловушке, подвесив её в вакууме при помощи магнитов – так, что ни с чем соприкасаться она не будет. Так родилась идея токамака – тороидальной камеры с магнитными катушками.

А спустя ещё несколько лет американские учёные предложили и второй вариант – импульсный, когда реакцию термоядерного синтеза запускают внутри небольшой капсулы с топливом (всё тем же водородом), резко сжимая её при помощи бьющих со всех сторон мощных лазерных лучей.

Именно на импульсной установке и был проведён эксперимент в Ливерморской лаборатории.

Что же в этом сложного?

Примерно всё. Относительно простой термоядерная реакция выглядит только на бумаге. В реальности же она куда сложнее ракетного запуска.

Попробуйте сжать в кулаке воздушный шар. Находящийся внутри газ обязательно устремится туда, где давление чуть ниже и вылезет "пузом" между пальцами.

Ровно то же самое происходит и с топливной капсулой, которую для проведения реакции необходимо сферически сжимать сразу со всех сторон, с абсолютно одинаковой силой.

Учёные Ливерморской лаборатории добились этого при помощи 192 мощнейших лазеров, которые для этого пришлось не только идеально выстроить в пространстве, но и точно синхронизировать по времени.

"Если хоть один луч будет выбиваться из общего ряда, сферическим сжатие не получится, – объясняет глава российского агентства ИТЭР Анатолий Красильников. – Капсула поедет вправо или влево, у неё вырастет "пузо" в какую-нибудь сторону, и в результате термоядерных параметров [топливо] не достигнет. А американцам сделать это удалось".

Построенная специально для этой цели установка представляет собой 12-этажный дом площадью в три футбольных поля. А на полную зарядку лазеров уходит почти неделя.

Так чего именно добились американцы?

Строго говоря, сам факт успешного создания условий для проведения термоядерного синтеза не то чтобы новость. Учёные из Института физики плазмы при Академии наук КНР ещё несколько лет назад научились разогревать плазму в токамаке до 120 млн градусов и удерживать её в таком состоянии целых 17 минут, а это условия более чем достаточные.

В американском эксперименте принципиальна именно "добавочная стоимость" реакции.

Впервые в истории ученым удалось выйти в плюс: получить на выходе больше энергии, чем ушло на запуск реакции. Этакий вечный двигатель на стероидах.

Если оперировать точными цифрами, суммарная мощность лазерного излучения составила около 2 МДж, а на выходе – в результате термоядерного синтеза – получили 3 МДж, то есть в полтора раза больше.

Тут, впрочем, нужно сделать важную оговорку. Речь идёт лишь об энергии, непосредственно поглощённой капсулой.

В общей же сложности, на зарядку 192 мощнейших лазерных излучателей и работу установки в целом ушло около 477 МДж. А в таком случае ни о каком плюсе говорить не приходится: КПД реакции едва превышает жалкие полпроцента.

Так когда уже начнут строить термоядерные электростанции?

Объявляя миру об эпохальном эксперименте, министр энергетики США Дженнифер Грэм во всеуслышание назвала его "одним из самых впечатляющих триумфов науки XXI века".

В то время как, строго говоря, как раз с точки зрения науки его вряд ли можно считать каким-то прорывом.

"Никакого научного прорыва тут нет, – подтверждает Красильников. – В конце концов установка специально была спланирована для того, чтобы именно такой результат получить. Но здесь, конечно, несомненно огромное инженерное достижение".

С инженерной точки зрения технологию действительно можно считать прорывной. Однако путь к светлому (а также тёплому и экологически чистому) термоядерному будущему долог и тернист.

От полноценно работающего, рентабельного термоядерного реактора промышленного масштаба нас отделяет ещё по меньшей мере лет десять.

Незадача в том, что примерно такой же – десятилетний – прогноз давали учёные ещё в Советском Союзе. А воз не то чтобы и ныне там, но всё же ещё достаточно далёк от финиша, чтобы делать по этому поводу хоть сколько-нибудь точные предсказания.

Строящийся сейчас во Франции ИТЭР заработает только к концу текущего десятилетия, но и его задача не производство энергии, а дальнейшее изучение физики процесса. Необходимо как минимум удостовериться, что энергию термоядерного синтеза можно как-то собрать для дальнейшего использования, и придумать способ это сделать.

По словам Анатолия Красильникова, реалистично появления полноценно работающей термоядерной электростанции стоит ожидать не раньше 2050-х годов.