Що таке термоядерне запалювання і чому його називають великим проривом для безвуглецевої енергії — пояснює фізик-ядерник
Міністерство енергетики США 13 грудня 2022 року заявило, що американські вчені вперше досягли явища, відомого як термоядерне запалювання — створення ядерної реакції, яка генерує більше енергії, ніж споживає. Досліди проводили у Національному комплексі лазерних термоядерних реакцій США (National Ignition Facility, NIF).
Але наскільки значним є розвиток? Керолін Куранц, доцент кафедри ядерної інженерії Мічиганського університету, яка працювала над цим проєктом, спробувала пояснити докладніше для спільноти The Conversation. Публікуємо головне з її статті.
Що сталося у термоядерній камері?
Термоядерний синтез — це ядерна реакція, яка об'єднує два атоми для створення одного або кількох нових атомів із трохи меншою загальною масою. Різниця в масі виділяється як енергія, як описано відомим рівнянням Айнштайна E = mc², де енергія дорівнює масі, помноженій на квадрат швидкості світла. Оскільки швидкість світла величезна, перетворення лише невеликої кількості маси в енергію, як це відбувається під час термоядерного синтезу, виробляє чималу кількість енергії.
Дослідники з національного комплексу лазерних термоядерних реакцій, який є частиною Ліверморської національної лабораторії, вперше продемонстрували те, що називається запалюванням термоядерного синтезу. Запалювання відбувається, коли реакція термоядерного синтезу виробляє більше енергії, ніж вводиться в реакцію із зовнішнього джерела, і стає самопідтримуваною.
У NIF використовували постріли 192 лазерів у гранулу палива в 1 мм, виготовлену з дейтерію та тритію — двох версій елемента водню з додатковими нейтронами, яку помістили у золоту каністру. Коли лазери потрапляють на каністру, вони створюють рентгенівське випромінювання, яке нагріває та стискає паливну гранулу приблизно до 20-кратної щільності свинцю та до понад 3 мільйонів градусів Цельсія. Це приблизно в 100 разів гарячіше, ніж поверхня Сонця. Якщо ви зможете підтримувати ці умови протягом достатньо тривалого часу, паливо розплавиться та виділить енергію.
Під час експерименту паливо та каністра випаровуються протягом кількох мільярдних часток секунди. Дослідники сподіваються, що їх обладнання витримало ці умови та точно виміряло енергію, що виділяється в результаті реакції синтезу.
Чого досягли вчені у експерименті з термоядерного синтезу
Фізики дивляться на співвідношення між енергією, що виділяється в процесі термоядерного синтезу, та кількістю енергії всередині лазерів. Це співвідношення називається посиленням (підсиленням).
Підписуйтеся на наші соцмережі
Все, що перевищує приріст, означає, що процес термоядерного синтезу вивільнив більше енергії, ніж випустили лазери.
Які наслідки експерименту з термоядерного синтезу?
Хоча приріст у 1,5, я вважаю, є справді історичним науковим проривом, попереду ще довгий шлях, перш ніж термоядерний синтез стане життєздатним джерелом енергії.
Хоча енергія лазера в 2 млн Дж. була меншою, ніж вихід термоядерного синтезу в 3 млн Дж, ще майже 300 млн джоулів знадобилось установці, яка розігріває та поширює лазерні промені в цьому експерименті. Цей результат показав, що термоядерне запалювання можливе, але потрібно багато працювати, щоб підвищити ефективність до точки, коли термоядерний синтез зможе забезпечити чисту позитивну віддачу енергії, враховуючи всю систему, а не лише взаємодію між лазерами і паливом.
Термоядерний синтез: що потрібно покращити та над чим науковці працюють зараз?
Лазери винайшли лише в 1960 році. Коли уряд США завершив будівництво National Ignition Facility у 2009 році, це була найпотужніша лазерна установка у світі, здатна доставити до цілі 1 млн Дж енергії. А 2 млн джоулів, які він виробляє сьогодні це у 50 разів більше, ніж наступний за потужністю лазер на Землі. Тому людству потрібні потужніші лазери та менш енергомісткі способи їх виробництва.
Умови термоядерного синтезу дуже складні для підтримки, і будь-який невеликий недолік у капсулі чи паливі може збільшити потребу в енергії та знизити ефективність. Науковці досягли прогресу в ефективнішій передачі енергії від лазера до каністри та паливної капсули, але наразі лише від 10% до 30% загальної енергії лазера передається до каністри та пального.
Ці та інші наукові, технологічні та інженерні перешкоди потрібно буде подолати, перш ніж термоядерний синтез вироблятиме електроенергію для вашого будинку. Також потрібно знизити вартість термоядерної електростанції. Зараз вартість NIF становить $3,5 млрд.
Варто зазначити, що навколо термоядерного синтезу тривають глобальні перегони, і багато інших лабораторій по всьому світу використовують різні методи. Але з новими результатами від National Ignition Facility, світ вперше побачив доказ того, що мрія про термоядерний синтез здійсненна.
