Энергия синтеза

Давление и температура внутри Солнца настолько экстремальны, что ядра водорода сливаются, образуя ядра гелия. Энергия высвобождается во время этих термоядерных процессов — и гораздо эффективнее, чем, например, при сжигании ископаемого топлива. Поэтому физики десятилетиями работали над созданием ядерного синтеза в качестве источника энергии.

В принципе, один грамм водорода может дать столько же энергии, сколько около десяти тонн угля. Однако пока в Солнечной системе есть только одна такая электростанция: внутри Солнца. Давление и температура там настолько высоки, что ядра водорода могут сливаться с ядрами гелия. Энергия, высвобождаемая в результате этих термоядерных процессов, заставляет солнце сиять в течение миллиардов лет и делает возможной жизнь на нашей планете.

Создать необходимые условия для ядерного синтеза в лаборатории непросто — исследователи работают над этой амбициозной целью уже более полувека. Потому что для того, чтобы положительно заряженные атомные ядра смогли преодолеть свои электромагнитные силы отталкивания и слиться друг с другом, должны преобладать температуры свыше ста миллионов градусов. В этом диапазоне температур вещество переходит в состояние плазмы: отрицательно заряженные электроны высвобождаются из атомной оболочки и образуют горячую, электрически заряженную смесь частиц с уже несвязанными атомными ядрами.

Пилотные заводы в Европе и США.

Обычного контейнера недостаточно, чтобы стабильно удерживать такую ​​плазму. Так называемые клетки магнитного поля, которые могут быть реализованы различными способами, предлагают решение этой проблемы. Исследователи испытывают один вариант — так называемые стеллараторы — на испытательном стенде Wendelstein 7-X в Грайфсвальде, другой — токамаки — например, с ASDEX Upgrade в Гархинге или в будущем с ITER на юге Франции. В обоих случаях сильные магнитные поля должны удерживать горячую термоядерную плазму.

С другой стороны, при инерционном синтезе водород помещается в капсулу размером всего в несколько миллиметров и облучается интенсивным рентгеновским излучением. Это заставляет внешнюю оболочку мгновенно расширяться, в то время как возникающая отдача сжимает ядра водорода внутри. Это увеличивает давление и температуру до такой степени, что ядерный синтез загорается и распространяется в «топливе» быстрее, чем ядра успевают покинуть центр. Водород удерживается на месте по собственной инерции. Эксперименты по инерционному синтезу проводятся в Национальном центре зажигания в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии с 2009 года. В общей сложности 192 лазерных луча фокусируются на небольшой полости из золота, которая затем нагревается и испускает рентгеновские лучи, которые, в свою очередь, запускают реакции синтеза в крошечной капсуле, заполненной водородом.

В январе 2022 года исследователям уже удалось получить горящую плазму из ядер водорода: во время ядерного синтеза выделялось столько энергии, что образовавшиеся ядра гелия продолжали нагревать плазму. В принципе, таким образом может быть высвобождено больше энергии, чем используется для работы лазера. Но суть в том, что энергетический баланс лазерного синтеза оставался отрицательным. 5 декабря 2022 года ученые, наконец, достигли важной вехи: с 2,05 мегаджоулями энергии, поглощенными гранулой, 3,15 мегаджоулей энергии могут быть получены в результате реакций синтеза - впервые положительный энергетический баланс.

Долгий путь к термоядерной электростанции.

Несмотря на этот успех, мы все еще далеки от термоядерной электростанции. Потому что усилия, затрачиваемые на изготовление одной капсулы и, наконец, ее воспламенение, по-прежнему очень велики. Однако на электростанции вся цепочка реакций должна была бы постоянно повторяться. Например, для мощности в три мегаватта, что примерно соответствует мощности ветряной электростанции, потребуется десять гранул в секунду. Это огромная техническая задача.

Таким образом, вопрос о том, подходит ли ядерный синтез для долгосрочного энергоснабжения, все еще является предметом исследований. Но ученые, кажется, все ближе и ближе приближаются к мечте принести солнце на землю.