31.10.2024. - Ядерный синтез десятилетиями ставил ученых в тупик

Ядерный синтез десятилетиями ставил ученых в тупик

ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ - ЭТО ДВИГАТЕЛЬ ВСЕЛЕННОЙ. От мельчайшего микроба до самой сложной формы жизни, обнаруженной в инопланетных мирах, все это существует благодаря физическим катаклизмам, происходящим в сердце каждой звезды. Каждая искорка света в ночном небе - это смесь огромной гравитации и тепла, создающая самоподдерживающийся термоядерный взрыв, который делает возможной жизнь.

Вот уже почти столетие ученые знают, что этот взрывной танец ионизированной плазмы в сердце нашего Солнца - это то, что окутывает нашу планету светом и теплом. И с момента этого открытия университеты, лаборатории, правительственные учреждения и международные коалиции вложили миллиарды долларов в поиск способа изолировать солнце и получать чистую, неограниченную энергию.

Десятки частных компаний, финансируемых одними из богатейших людей мира, разрабатывают различные способы создания коммерческого термоядерного синтеза. Одна из новейших фирм, участвующих в гонке за неограниченной энергией, хочет использовать технологию лазерного излучения для величайшего на сегодняшний день термоядерного синтеза в Америке, в то время как другие фирмы идут другим путем, используя магниты, сверхпроводники и сверхгорячую плазму.

Независимо от того, какой подход победит, если мы надеемся воплотить коммерческий термоядерный синтез в реальность в ближайшие десятилетия, потребуется такой уровень научной самоотдачи (и финансирования), по сравнению с которым программа "Аполлон" будет выглядеть как научный проект средней школы.

Это история ядерного синтеза — как он работает, к чему ведет и какое человеческое общество оставит после себя.

НЕСМОТРЯ НА ВСЕ ГРАНДИОЗНЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА, наука, лежащая в его основе, работает на чрезвычайно малых атомных масштабах. На самом базовом уровне ядерный синтез происходит, когда два легких ядра (то есть водорода) объединяются, образуя более тяжелый изотоп, называемый гелием-4. Между тем, ядерное расщепление, которое является наукой, приводящей в действие все современные ядерные реакторы, происходит как раз наоборот: нейтронная частица врезается в более крупный атом, такой как уран-235, и расщепляет его на два более мелких, таких как барий и криптон.

“Химия - это, по сути, история о том, как атомы пытаются стать более стабильными, и они собираются найти партнеров для взаимодействия, чтобы добиться большей стабильности”, - говорит Винсент Тан, доктор философии, первый заместитель директора Национального центра воспламенения и Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса. “Когда они находят партнера, который делает их более стабильными, они выделяют энергию в виде тепла или света — та же аналогия применима и к ядерным реакциям. Если они объединяются и сливаются или расщепляются, они хотят стать более стабильными — они хотят стать железом-56”.

Легче сказать, чем сделать, потому что эти два протона водорода отчаянно не хотят сливаться. При нормальных условиях два положительно заряженных протона просто отталкивались бы из-за электростатического отталкивания, что, по сути, является атомной версией попытки свести вместе два отрицательных полюса стержневого магнита; это возможно, но непросто.

Чтобы столкнуть два ядра (ядром атома водорода является один протон), они должны преодолеть это отталкивание, чтобы сильное ядерное взаимодействие — одна из четырех фундаментальных сил во Вселенной, которая удерживает ядро атома вместе, — взяло верх и соединило два атома водорода.

Для этого все должно нагреться, например, плазма, потому что тепло возбуждает атомы, разрывает их на части и ускоряет их движение, так что они преодолевают это взаимное электростатическое сопротивление. Даже жара в центре Солнца недостаточно для нормального слияния этих элементов, но концепция, известная как квантовое туннелирование, позволяет соединять часть протонов водорода.

Вот где эти невидимые атомные и квантовые процессы могут создать нечто столь же невероятное, как наше солнце. Когда два атома водорода соединяются в ядре Солнца, получающийся атом гелия весит меньше, чем два исходных атома водорода. Как говорит нам Альберт Эйнштейн и его знаменитое уравнение E = MC2, масса не просто исчезает, а преобразуется в энергию.

Чтобы добиться более эффективной реакции при более низких температурах, ученые вместо этого используют два изотопа водорода, называемые дейтерием и тритием, для превращения в гелий (при этом образуется один запасной нейтрон).

Создание этой начальной термоядерной реакции — и, что самое важное, ее поддержание — было работой физиков-ядерщиков по всему миру на протяжении почти столетия. Хотя термоядерные реакторы могут быть самых разных форм и размеров, они, по сути, делятся на три категории, определяемые тем, как каждое устройство удерживает сверхгорячую плазму, необходимую для создания термоядерных реакций: гравитационные, инерционные и магнитные термоядерные реакторы.

ТЕРМОЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР с ГРАВИТАЦИОННЫМ ОГРАНИЧЕНИЕМ - это причудливый способ сказать “солнце”. Из-за своих огромных размеров солнце, по сути, представляет собой жгучий коктейль из тепла и давления, который обеспечивает идеальные условия для термоядерного синтеза. Термоядерный синтез на солнце происходит в результате многоступенчатой термоядерной реакции (или нуклеосинтеза), известной как протон-протонная цепочка.

В ходе этого многоступенчатого процесса четыре протона водорода и два электрона соединяются и в конечном итоге создают гелий-4, два электронных нейтрино и шесть гамма-лучей (которые мы в конечном итоге воспринимаем как солнечный свет на Земле). Гелий-4, изотоп гелия, обладает удивительно стабильным ядром; он также является выбросом на кривой энергии ядерной связи - графике, который показывает, насколько плотно атомные ядра различных элементов удерживаются вместе (см. ниже). Таким образом, когда атомы соединяются с образованием гелия-4, вырабатывается еще больше энергии, и хотя вероятность слияния этих реакций невелика, философия солнца “слишком большое, чтобы выйти из строя” компенсирует эту энергетическую неэффективность.

“Солнце работает в совершенно ином режиме термоядерного синтеза”, - объясняет Тан. “Время удержания на солнце действительно велико... [также] вероятность каждого термоядерного синтеза гораздо ниже, но это нормально, потому что оно такое огромное и на солнце так много ядер”.

Каждую секунду на солнце происходит 100 миллионов квадриллионов квадриллионных термоядерных реакций, и эта форма нуклеосинтеза продолжается уже пять миллиардов лет. Еще через пять миллиардов лет солнце исчерпает водород, ответственный за эти начальные реакции в протон-протонной цепи, и звезда начнет сжигать гелий, превращаясь, таким образом, в Красного гиганта (и имея неприятный побочный эффект в виде уничтожения Земли).

Солнце представляет собой впечатляющий пример того, как достичь ядерного синтеза, но есть несколько проблем, из-за которых имитация солнца невозможна. Во-первых, Земля далеко не настолько массивна, чтобы полагаться на гравитацию для удержания, и из-за этого недостатка гравитации любой земной термоядерный реактор также должен быть во много раз горячее солнца, чтобы быть эффективным.

Физики-ядерщики и инженеры почти столетие работали над преодолением этих физических ограничений и пришли к двум основным возможным решениям. В одном из них используются магниты, в другом - инерция.

ПОЛУЧЕНИЕ ПЛАЗМЫ - ДЕЛО НЕПРОСТОЕ. Для получения этого супа из электронов, протонов и нейтронов ртуть должна разогреться как минимум до 100 миллионов градусов Цельсия (для дейтерий-тритиевых реакций), но разогреть плазму до такой температуры не обязательно. Следить за тем, чтобы плазма оставалась в замкнутом пространстве и ни с чем не соприкасалась, — это уже совсем другая история.

“Для термоядерного синтеза необходимо сделать три вещи: собрать достаточное количество частиц вместе, достаточно нагреть их и выдержать достаточно долго, чтобы началась реакция”, — говорит Фил Фергюсон, доктор философии, руководитель эксперимента по воздействию плазмы на материал (MPEX). Проект в Национальной лаборатории Ок-Риджа. “Вам нужно материальное решение. Дайте мне материалы, которые могут скреплять эту штуку при определенной температуре, чтобы она была эффективной”.

Войдите в токамак, термоядерный реактор невообразимой сложности. Разработанный учеными Советского Союза в конце 1950-х годов, название “токамак” является русской аббревиатурой от “тороидальная камера с магнитными катушками”. Тороидальный - это просто неуклюжий физический способ сказать “в форме пончика”, но именно “магнитные катушки” являются наиболее важной частью. По своей сути, токамаки используют тщательно сконструированный набор электромагнитов, а также электромагнитный импульс в самой плазме, чтобы создать замкнутую термоядерную реакцию — акцент на слове “замкнутую”.

“На самом деле вы не хотите, чтобы по-настоящему горячая плазма соприкасалась с металлическими стенками, потому что это повредит не только стенки, но и саму плазму”, - говорит Уэйн Соломон, доктор философии, вице-президент подразделения General Atomics по энергетике магнитного синтеза. “Вы не сможете сохранить его горячим, если будете прикасаться к чему-то холодному”. (General Atomics управляет крупнейшим термоядерным токамаком в США, известным как D-III D.)

Говоря о чем-то холодном, эти магниты являются сверхпроводящими, что означает, что они вообще не испытывают электрического сопротивления; теоретически электрический ток может существовать внутри сверхпроводника вечно. Однако многие сверхпроводящие материалы могут работать только при температурах, приближающихся к абсолютному нулю, или -459,67 градуса по Фаренгейту. Таким образом, в реакторах магнитного синтеза одновременно должны поддерживаться одни из самых экстремальных температур во Вселенной.

“В центре устройства находится объект, температура которого может быть в десять раз выше, чем в центре Солнца”, - говорит Соломон. “Если продолжить движение к стене, температура будет примерно комнатной, а затем вы доберетесь до самих магнитов, температура которых приближается к абсолютному нулю”.

Токамаки и другие идеи магнитного удержания, известные как “стеллараторы”, в основном отличаются тем, как магниты удерживают плазму, но оба они основаны на принципе использования сверхпроводящих магнитов для создания звезды.

Итак, как только вы поместите эту подвешенную плазму в вакуумную камеру, как именно она будет питать свет в вашем доме? Между плазмой и магнитами находится слой сложной технологии с удивительно простым названием "одеяло". Но эти “одеяла” не предназначены для того, чтобы в них можно было уютно устроиться. Например, Международный экспериментальный термоядерный реактор (ИТЭР) на юге Франции, один из самых совершенных токамаков на планете, будет использовать 440 общих модулей (весом по 4,6 тонны каждый) для преобразования термоядерной энергии в полезную электроэнергию.

Покрытые бериллием, эти покрытия собирают кинетическую энергию нейтронов и преобразуют ее в тепло (и они также могут генерировать тритий, подробнее об этом позже). Это тепло передается водяному теплоносителю, который затем используется в турбинах, приводимых в действие электромагнитной индукцией, — именно так работает сегодня каждая электростанция, будь то угольная или атомная. Это один из наиболее технически сложных аспектов термоядерного синтеза с магнитным удержанием, поскольку он напрямую взаимодействует с плазмой.

“Температура плазмы составляет 100 миллионов градусов, и вы хотите поместить ее в эту бутылку, но если вы когда—нибудь видели фотографии солнца, вы увидите нестабильность - появляются небольшие вспышки”, - говорит Фергюсон, который в настоящее время разрабатывает материалы для плазмы для проекта ORNL MPEx. “При температуре 100 миллионов градусов эти вспышки касаются этой стены. Вам нужно продержаться всего мгновение, но даже на мгновение 100 миллионов градусов - это довольно интенсивно”.

Спустя более 60 лет после своего создания токамаки по—прежнему рассматриваются многими учеными в области термоядерного синтеза, а также Министерством энергетики США как ведущая концепция магнитного термоядерного синтеза, поскольку в настоящее время они лучше всего подходят для удержания плазмы и поддержания ее в горячем состоянии - обязательная функция для любой будущей термоядерной электростанции.

Но есть еще одна идея термоядерного синтеза, которая использует радикально отличающийся подход, и эта машина смогла достичь чего-то совершенно беспрецедентного за всю многовековую историю термоядерной науки.

5 декабря 2022 года УЧЕНЫЕ ИЗ НАЦИОНАЛЬНОГО ЦЕНТРА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии направили 192 луча лазера на небольшую таблетку и, по сути, сжали дейтерий-тритиевое топливо внутри. Как и во многих предыдущих экспериментах, в эксперименте по инерционному удержанию термоядерный синтез длился всего несколько наносекунд, но на этот раз все было по-другому. На этот раз в ходе эксперимента из реакции было извлечено больше энергии, чем было затрачено.

Человечество, наконец, добилось зажигания.

“Часть этой термоядерной энергии задерживается в плазме, и тогда она становится еще горячее. … Теперь вероятность того, что термоядерный синтез продолжится, еще выше”, - говорит Тан. “Именно тогда происходит воспламенение, когда термоядерная реакция начинает набирать обороты настолько, что вырабатывает больше энергии, чем использует плазма”.

В отличие от реакторов с магнитным удержанием, таких как токамаки и стеллараторы, инерционное удержание не использует магниты и вместо этого полагается на взрыв самой топливной таблетки для поддержания реакции. После того, как инфракрасные лазеры NIFs 192 прошли через сложную серию лазерных блоков и усилителей мощности, увеличив суммарную энергию лазеров до петаватта (одного квадриллиона ватт), лучи были преобразованы в ультрафиолетовые лучи, которые сходились на небольшой капсуле, известной как hohlraum (по-немецки “полая область”).

Эта перегретая капсула создавала рентгеновскую ванну, которая в конечном итоге сжимала сферическую таблетку дейтерия-трития внутри. При сжатии со скоростью примерно 250 миль в секунду термоядерная реакция произошла до того, как топливо успело разложиться, так что в некотором смысле плазма эффективно удерживалась за счет собственной инерции. Продолжительность этого “сдерживания” составляла всего 100 триллионных долей секунды, но этого было достаточно, чтобы произвести значительное количество энергии.

Во время ставшего уже знаменитым взрыва NIF установка передала мишени 2,05 мегаджоулей (МДЖ) энергии и произвела 3,15 МДж, что означает, что термоядерная реакция на короткое время сама себя подпитывала. Хотя эти цифры кажутся незначительными, Тан утверждает, что результат даже более впечатляющий, чем кажется на первый взгляд.

Поскольку энергия теряется при преобразовании ультрафиолетовых лазеров в рентгеновские лучи внутри hohlraum, фактическое количество энергии, использованной для запуска термоядерной реакции, на самом деле составляло от 250 до 300 килоджоулей, что примерно в двенадцать раз меньше энергии, полученной в результате реакции. В то время как в эксперименте NIF используется непрямой привод, в других реакторах инерционного удержания проводятся эксперименты с прямыми приводами, которые доставляют энергию лазера непосредственно в дейтерий-тритиевую капсулу (хотя эти концепции также сопряжены с другими видами потерь энергии).

Весь этот процесс длится гораздо дольше, чем мгновение ока, поэтому любой будущий коммерческий реактор, основанный на этой технологии, будет использовать тот же процесс, но производить около 10 таких мини-взрывов в секунду — по сути, создавая микроскопическое солнце всего на несколько наносекунд.

“Технология NIF была разработана в 80—х и 90-х годах... и от нее не требовалось запускать лазер 10 раз в секунду”, - говорит Тан, подчеркивая, что одной из основных задач лазера было тестирование ядерного оружия, а не создание экологически чистой энергии следующего поколения. “NIF неэффективен... если вы хотите работать со скоростью 10 раз в секунду, вам следует использовать лазерные диоды”.

К счастью, уже существует лазер, который может выдавать эти 10 лучей в секунду, и он называется усовершенствованной петаваттной лазерной системой с высокой частотой повторения (HALPS). Поскольку NIF разработан с использованием технологии ламп-вспышек, система требует значительного периода перезарядки между использованиями. С другой стороны, в HALPS используются усовершенствованные лазерные диоды, которые обеспечивают такое же количество энергии, но практически без охлаждения.

Базирующаяся в Денвере компания Xcimer Energy полностью придерживается инерционного термоядерного синтеза, уделяя особое внимание мощности самих лазеров. Команда надеется создать самый большой в мире лазер, основанный на технологии, первоначально разработанной в рамках стратегической оборонной инициативы “Звездные войны” 1980-х годов. Этот аппарат будет представлять собой криптон-фторидный лазер, представляющий собой комбинацию “газовой” оптики и лазерных усилителей eximcer, которые уже используются в полупроводниковой литографии и других промышленных приложениях. Согласно пресс-релизу, опубликованному в июне 2024 года, результаты (как мы надеемся) позволят получать высокую энергию пучка, которая обеспечивает “в 10 раз более высокую лазерную энергию при в 10 раз более высокой эффективности и более чем в 30 раз более низкой стоимости на джоуль, чем лазерная система National Ignition Facility (NIF)”.

Но предстоит пройти долгий путь усовершенствований, повышения эффективности и революционных разработок в области материаловедения, прежде чем изобретение NIF в области зажигания превратится в инерционную электростанцию с замкнутым контуром. Но после того, как, наконец, было достигнуто зажигание, история инерционного термоядерного синтеза вступила в новую эру.

“Это только начало”, - говорит Тан. “Нам еще многое предстоит сделать”.

КАК И ВО МНОГИХ ИНЖЕНЕРНЫХ ЗАДАЧАХ, здесь все не так однозначно, как в “командном магните” и “командной инерции”. Некоторые предложения, такие как магнитно-инерционный термоядерный синтез, заимствуют немного от обоих, в то время как некоторые концепции инерционного термоядерного синтеза, такие как инерционный термоядерный синтез с намагниченным вкладышем, привносят немного магнетизма для более длительного поддержания реакций инерционного термоядерного синтеза.

Теперь, когда зажигание наконец достигнуто, физика показывает, что "разливать" звезды по бутылкам на наших планетах возможно, но можем ли мы разработать экзотические материалы и невероятные технологии, чтобы это стало возможным?

“Действительно важно поддерживать работу ядра fusion core на максимально высоком уровне, чтобы сделать устройство максимально эффективным, компактным и экономичным”, - говорит Соломон. “Сейчас самое время по-настоящему активизировать усилия в области технологий”.

С одной стороны, инженеры все еще пытаются создать работающий "бланкет" — технологию, которая, по сути, превращает все преимущества термоядерного синтеза в электричество, которое мы можем использовать. Во-вторых, ученые разрабатывают материалы, способные выдерживать высокие температуры, характерные для этих машин, будь то токамаки, стеллараторы или реакторы с инерционным удержанием. “Нам все еще не хватает прорывных материалов”, - говорит Фергюсон.

Помимо технологий захвата нейтронов и высокотехнологичных материалов, ученым и инженерам в области термоядерного синтеза еще предстоит выяснить, как замкнуть дейтерий-тритиевый топливный цикл. В то время как дейтерий на Земле встречается в изобилии, тритий встречается гораздо реже. Производство большего количества трития могло бы сделать реакторы как экономически жизнеспособными, так и более эффективными — две вещи, необходимые любому термоядерному реактору, если он надеется избежать лабораторных условий.

Тем временем интерес к потенциалу термоядерной энергетики растет. В 2022 году инвестиции в термоядерные технологии резко возросли, и частные компании начинают изучать способы вывода этой технологии на рынок.

В октябре 2022 года General Atomics также объявила о планах по строительству экспериментальной термоядерной установки. ITER, крупнейший термоядерный реактор с магнитным удержанием, планирует получить “первую плазму” к 2025 году. Преемник ИТЭР, получивший название Демонстрационной электростанции (DEMO), уже находится в стадии строительства и призван сократить разрыв между лабораторными экспериментами и коммерциализированной энергетикой. Однако запуск этого проекта запланирован не ранее 2050-х годов.

Тем временем реакторы по всему миру, такие как Joint European Torus (JET) в Великобритании, токамак JT-60SA в Японии и D-III D в США, продолжают исследовать неизвестные тайны термоядерного синтеза.

Но это будущее не за горами.

“Это энергия Вселенной”, - говорит Тан. “Если мы выясним, как использовать ее эффективно, то это все. Это конец. Это решение. Все, что мы знаем о том, как устроена Вселенная, - это то, что теперь мы выяснили, как использовать ее фундаментальный источник энергии.

“Мы должны продолжать двигаться вперед”.

Источник