Идея получения дешевой, безопасной и неисчерпаемой электроэнергии с помощью термоядерного синтеза была предложена советскими физиками еще в 1950-х годах. До сих пор над ее воплощением работают лучшие ученые мира. 14 декабря 2022 года сотрудники Ливерморской национальной лаборатории США экспериментального реактора NIF впервые получили в термоядерной реакции больше энергии, чем было затрачено.
Это действительно значимое технологическое достижение для науки и энергетики. На установке в Ливерморской национальной лаборатории над этой задачей работали более 10 лет, и в результате сотрудникам удалось успешно выполнить эксперимент. 192 лазерных луча сжали миллиметровую крупинку топлива из трития и дейтерия и получили 3 мегаджоуля термоядерной энергии при мощности введенного лазерного излучения 2 мегаджоуля. По сути, это имитация процесса внутри звезд, где происходит генерация термоядерной энергии за счет слияния высокоэнергичных ионов изотопов водорода.
На Земле этот процесс повторить очень непросто. Это приближает нас к новому этапу развития энергетики — созданию реактора, который не потребляет энергию, а производит. Но здесь есть нюанс. Действительно, в плазме произвели больше энергии, чем прикладывали за счет лазеров, но от самого источника энергии потребовалось взять 400 мегаджоулей. Простыми словами, произведя путем сжатия топлива 3 мегаджоуля, из «розетки» взяли 400, и здесь соотношение меньше 1%. Это большой шаг с точки зрения плазмафизических процессов и достижения симметрии, но до готового реактора еще далеко.
Над созданием термоядерного реактора работают уже более полувека, это очень сложный и пока не достигнутый результат. Впервые инициирование термоядерной реакции с помощью лазера рассматривали еще его создатели — нобелевские лауреаты Александр Прохоров и Николай Басов. Во многих областях термоядерных исследований мы первооткрыватели, и наши разработки играют важную роль в современных международных проектах. В декабре мы отправили во Францию ключевое инновационное оборудование для Международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР). Над этим грандиозным проектом работают 35 стран, и Россия — его инициатор. Именно в «Росатоме» создали ключевой элемент ИТЭР — 10-метровую сверхпроводящую катушку полоидального поля PF-1.
Сейчас в области исследований по лазерному термоядерному синтезу идут активные исследования в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН, Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики и в Троицком институте инновационных и термоядерных исследований. В России создается своя установка, которая по мощности больше NIF, и мы можем продуктивно использовать наработанные технологии проекта ИТЭР. Благодаря работе над сверхпроводящей катушкой в нашей стране уже запустили современную сверхпроводниковую промышленность.
Разработка термоядерного реактора идет по двум основным направлениям: в NIF — инерционный синтез за счет мощной вспышки и мгновенного выброса максимального количества энергии, а в случае ИТЭР с нашим участием — стационарный магнитный термоядерный синтез.
По технологии NIF топливная таблетка сжимается мощным симметричным лазерным излучением до тех, пор пока сжатое плазменное образование не начнет разлетаться, и в эти микросекунды происходит термоядерная вспышка с выделением мощной энергии, которую можно затем перерабатывать в электричество.
В ИТЭР и российских проектах предполагается реализовать энергию в токамаках — системе сдерживания плазмы с помощью магнитного поля. Это довольно весомая камера с поверхностью для вращения в виде бублика с опоясывающими магнитными кольцами. Для термоядерного синтеза необходима температура 200-300 млн градусов, которую возможно поддерживать за счет разгона частиц в плазме. В токамаках магнитная конфигурация удерживает вдоль силовых линий движущиеся по спирали заряженные частицы. Это позволяет нам в течение 16 минут и более удерживать разряд в реакторе и вырабатывать мощность.
Токамак также разработали в Советском Союзе, в Курчатовском институте, в 1950-х годах. Именно здесь ученые впервые добились и удержали температуру плазмы на уровне 11,6 млн градусов по Цельсию, что до этого считалось невозможным.
Какая технология в итоге воплотится в работающий реактор, покажет время. Главный параметр — это отношение произведенной термоядерной мощности к мощности, которую взяли извне. И по этому инженерному параметру токамак в 10 раз выше рекордной величины, полученной на NIF 14 декабря. Но для самой концепции NIF это очень важное достижение: ученые доказали теоретические предположения экспериментально.
Автор — директор проектного центра ИТЭР, сотрудник кафедры плазменной энергетики МФТИ
Позиция редакции может не совпадать с мнением автора
