Informburo.kz публикует материалы "Русской службы BBC News"
Рукотворное солнце. Объясняем эпохальную термоядерную реакцию максимально понятным языком

Informburo.kz публикует материалы "Русской службы BBC News".

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.

Научная мысль значительно опережает существующие на сегодняшний день технологии, но и они не стоят на месте, так что у экспертов нет сомнений: появление термоядерных электростанций – вопрос времени / Фото Getty Images

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.

При слиянии атомов в единое целое часть их вещества преобразуется в чистую энергию – согласно знаменитой формуле Эйнштейна: E=mc2 / Фото Getty Images

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: Учёные США совершили cенсационный прорыв в термоядерном синтезе. Что это даст человечеству?


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.

Для проведения управляемой термоядерной реакции на Земле, в лаборатории необходимо зажечь искусственное солнце, причём куда жарче Солнца настоящего: максимальная температура солнечного ядра достигает 15 млн градусов, в лабораторных условиях плазму разогревают до 100 млн и даже выше / Фото Getty Images

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: Токаеву представили проект по производству "зелёного" водорода в Мангистауской области


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.

Слово "тороидальная" означает "в виде тора", то есть камера имеет форму бублика, полого внутри: именно такой токамак строит сейчас на юге Франции международный консорциум из 35 стран / Фото Getty Images

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.

Этой иллюстрацией художник пытался передать сам принцип работы импульсной камеры, поэтому и лазеров на ней куда меньше, чем в реальности / Фото Getty Images

"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.

На то, чтобы зарядить лазеры для одного-единственного "выстрела", уходит целая неделя / Фото Reuters

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".

По словам Дженнифер Грэм, эксперимент знаменует собой переход мировой энергетики в новую эру / Фото Getty Images

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.

«Запрещено копировать, распространять или иным образом использовать материалы Русской службы Би-би-си»

Informburo.kz публикует материалы "Русской службы BBC News"

Читайте новости без рекламы. Скачайте мобильное приложение informburo.kz для iOS или Android.

Поделиться:

  Если вы нашли ошибку в тексте, выделите её мышью и нажмите Ctrl+Enter

  Если вы нашли ошибку в тексте на смартфоне, выделите её и нажмите на кнопку "Сообщить об ошибке"

Новости партнеров