«Это все изменит». Что последует за прорывом в ядерном синтезе

 «Это все изменит». Что последует за прорывом в ядерном синтезе

Спустя полвека после создания теории термоядерного синтеза ученым впервые удалось добиться существенных практических результатов. Успеха достигли американские ученые на объекте, созданном для поддержания ядерного потенциала США. Тем временем в России готовится к запуску подобная установка — она будет намного мощнее заокеанского аналога.Как зажечь мини-солнцеТермоядерная энергетика — это попытка воссоздать маленькое Солнце в земных условиях.Размеры и внутренняя гравитация звезды делают возможным синтез протонов водорода, в результате чего выделяется гелий. Чтобы воспроизвести это на Земле, необходимо сильно либо нагреть вещество (до температур, намного превышающих солнечные), либо его сжать.Для этого эффективнее всего сталкивать между собой изотопы водорода — дейтерий и тритий (D-T). Главная задача — сделать так, чтобы выделившаяся энергия была больше той, что потратили на нагревание. Этот момент физики называют зажиганием, после которого начинается горение — самоподдерживающийся процесс.

Термоядерный синтез дейтерия и тритияДобиться термоядерного зажигания пытаются разными способами. В частности, с помощью токамака — бубликоподобной камеры, в которой раскаленная дейтерий-тритиевая плазма удерживается магнитным полем. Масштабную установку такого типа — ИТЭР — строят во Франции с участием России и других стран.Американский «Национальный комплекс зажигания» (National Ignition Facility, NIF) — объект двойного назначения, уходящий корнями в «Манхэттенский проект». Там проверяют компоненты ядерного оружия, а также, как следует из названия, стремятся запустить термоядерный синтез.»Вылизывали годами»Комплекс — размером со стадион. Лазерные установки занимают целые ангары, 192 излучателя подведены к десятиметровой камере и направлены в так называемый хольраум — полый золотой цилиндр, в котором — крошечная капсула с D-T.Лазеры быстро нагревают стенки хольраума, на капсулу воздействует рентгеновское излучение — и «горошина» динамически схлопывается.»Фактически происходит взрыв внутрь. Вещество сжимается до плотности, в 100 раз превышающей показатели самого твердого тела на Земле», — объясняет РИА Новости директор Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ Андрей Кузнецов.

Хольраум с топливомТемпература и давление подобны тем, что в ядрах звезд и планет-гигантов, а также при взрыве ядерного оружия.В NIF планировали добиться зажигания уже в 2012-м. Однако выделенная энергия оказалась в десять раз меньше затраченной. Проект чуть не закрыли. Помогла самоотверженность ученых, объясняют в пресс-релизе Ливерморской национальной лаборатории.»Долгое время у них ничего не получалось. Проблем было много. Например, мишень должна сжиматься равномерно. Она как воздушный шарик: если давить в одном месте — в другом вылезает. Годами американцы «вылизывали» свою систему», — говорит заместитель директора «ИТЭР-Центра» по техническим вопросам Леонид Химченко.

Капсула с D-T смесью (мишень для лазеров)Ученые экспериментировали с оболочкой (бериллий, пластик), в итоге — монокристалл сапфира. Шероховатости не превышают десяти нанометров, отмечает Кузнецов.»Применили мощнейший математический аппарат. Теоретики очень много занимались экстремальным сжиманием вещества. Проверяли расчеты на малых установках. Кадры там серьезные: академики, институты — как открытые, так и закрытые», — перечисляет Химченко.»История разделилась на до и после»В 2017-м — первые успехи. Систему продолжали совершенствовать. И вот 5 декабря 2022-го получили 3,15 мегаджоуля, потратив всего 2,05. Некоторые измерительные приборы вышли из строя. Несколько дней все проверяли. О сенсации первой сообщила газета Financial Times. Во вторник, 13 декабря, поступило официальное подтверждение.»История термояда разделилась на эпохи — до этого эксперимента и после него», — подчеркивает Кузнецов.

Часть установки, в которой была запущена реакция синтезаПо мнению Химченко, достижение NIF — огромный успех всей термоядерной отрасли, поскольку доказана ее перспективность, независимо от вида установок. «Значит, мы на правильном пути. Это дает силы ускориться. Если кто-то из сообщества первым достиг цели, то остальные должны «подтянуться», — поясняет он.Конечно, до коммерческих термоядерных электростанций еще далеко. КПД NIF крайне низкий. Хотя лазеры передали на мишень два мегаджоуля, для этого в установку пришлось закачать более 400 мегаджоулей энергии. У NIF была научная задача — подтвердить расчеты теоретиков. Ожидается, что к промышленному применению термояда человечество приблизит ИТЭР.НаукаТермояд в РоссииВ России есть аналог NIF — причем куда более мощный. В саровском ядерном центре готовится к запуску лазерная установка для экспериментов по управляемому термоядерному синтезу УФЛ-2М. Общая подводимая к мишени энергия достигает 4,6 мегаджоуля.Впрочем, электростанции на «маленьком Солнце» — не единственное потенциальное предназначение термоядерных установок. Одновременно они являются нейтронными источниками, которые можно использовать в гибридной энергетике. Известно, что при выделении из урановой руды «рабочего» материала для атомных станций образуется и скапливается большое количество слаборадиоактивных отходов — урана-238. Однако под нейтронным потоком он преобразуется в плутоний, а это уже ядерное топливо. Только в России запасов накопленного урана-238 в «отвалах» хватит на сотни и даже тысячи лет.»У нас в стране есть проект «Прорыв», реактор БРЕСТ на быстрых нейтронах и программа осуществления так называемого замкнутого топливного цикла», — отмечает Химченко. По его словам, Россия располагает всем необходимым, чтобы добиться выдающихся научных и экономических результатов.Наука