Рукотворне сонце. Пояснюємо епохальну термоядерну реакцію зрозумілою мовою
Американські вчені оголосили про принципово важливу - у певному сенсі навіть епохальну - подію на шляху до створення термоядерних електростанцій. Вперше в історії фізикам вдалося провести контрольовану термоядерну реакцію, отримавши на виході більше енергії, ніж витратили, щоб цю реакцію запустити.
Щоб оцінити масштаб досягнення, достатньо сказати, що над вирішенням цього завдання протягом останніх семи десятиліть ламали голови найгеніальніші фізики світу, включно з пів дюжиною нобелівських лауреатів.
Перше експериментальне підтвердження теоретичних розрахунків більш ніж півстолітньої давності в лабораторних умовах - подія й справді історична. І все ж таки на шляху до заповітної мети - мрії вчених про нескінченне джерело чистої енергії - це лише черговий крок, нехай і принципово важливий.
- У США досягли прориву в створенні термоядерних реакторів. Що це значить
- Прорив у ядерному синтезі: що це означає для майбутнього енергетики
ВВС простою мовою пояснює, що таке термоядерна реакція і чому новина про успішне проведення експерименту в США наробила стільки галасу - не лише в науковому світі, а й далеко за його межами. А також шукає відповідь на головне питання: коли нарешті казкова перспектива використання термоядерних електростанцій перестане бути перспективою і буде реальністю.
Що таке термоядерна реакція?
Якщо дуже просто, термоядерний синтез - це процес злиття двох атомів.
Тільки не приєднання їх один до одного (як два атоми водню утворюють молекулу Н2), а саме злиття їх у єдине ціле.
Тобто перетворення одного хімічного елемента на інший, важчий. Два атоми того ж водню, наприклад, зіллються в атом гелію - з виділенням значної кількості енергії.
Щоб така реакція стала можливою, потрібна величезна температура (вона фактично відриває від атомів електрони, оголюючи їхні ядра) і надзвичайний тиск, який буквально вдавлює ці ядра одне в одне.
Саме це відбувається у надрах зірок, і саме колосальна енергія термоядерного синтезу підтримує жар на Сонці, дозволяючи йому освітлювати та обігрівати нашу планету.
Якби те саме можна було повторити тут, на Землі, тоді людство отримало б доступ до абсолютно нового, практично необмеженого джерела енергії.
Більше того, як в один голос запевняють експерти, вироблена шляхом термоядерного синтезу енергія буде не лише дешевою, а й екологічно чистою.
Паливо для електростанцій можна буде брати прямо зі Світового океану - там його достатньо. При цьому в процесі реакції не виділяється жодних парникових газів, а на виході не залишається радіоактивних відходів. Мрія та й годі.
Але як це можливо на Землі?
Теоретично створити необхідні умови на нашій планеті цілком можливо. Саме термоядерний синтез лежить в основі дії водневої бомби, живлячи її практично необмежену руйнівну силу.
Тільки там для створення необхідних для термоядерної реакції тиску та температури використовується енергія "звичайного" ядерного вибуху. А вже він, своєю чергою, запускає процес неконтрольованого термоядерного синтезу, вивільняючи енергію, здатну за лічені секунди знищити всю нашу планету.
Щоб використати цю енергію у мирних цілях, її потрібно якимось чином зібрати, а для початку - хоча б просто утримати в якомусь обмеженому просторі.
Але як це зробити, якщо температура, яка запускає процеси термоядерного синтезу, вимірюється мільйонами градусів? Чим утримати розпечену плазму, один дотик якої здатний навіть не розплавити, а миттєво випарувати будь-яку речовину?
Першими відповідь на це запитання запропонували в 1950-і роки радянські фізики: можна замкнути плазму в пастці, "підвісивши" її у вакуумі за допомогою магнітів - так, що ні до чого торкатися вона не буде. Так народилася ідея токамака - тороїдальної камери з магнітними котушками.
А ще через кілька років американські вчені запропонували й другий варіант - імпульсний, коли реакцію термоядерного синтезу запускають усередині невеликої капсули з паливом (все тим же воднем), різко стискаючи її за допомогою потужних лазерних променів, що б'ють з усіх боків.
Саме на імпульсній установці й провели експеримент у Ліверморській лабораторії.
Що ж у цьому складного?
Приблизно все. Відносно просто термоядерна реакція виглядає тільки на папері. Насправді ж вона набагато складніша за ракетний запуск.
Спробуйте стиснути в кулаку повітряну кулю. Газ, що міститься всередині, обов'язково спрямується туди, де тиск трохи нижче і "вилізе пузом" між пальцями.
Те ж саме відбувається і з паливною капсулою, яку для проведення реакції необхідно сферично стискати відразу з усіх боків, з абсолютно однаковою силою.
Вчені Ліверморської лабораторії досягли цього за допомогою 192 найпотужніших лазерів, які довелося не тільки ідеально побудувати в просторі, але й синхронізувати у часі.
"Якщо хоч один промінь вибиватиметься із загального ряду, сферичним стиснення не вийде, - пояснює ВВС голова російського агентства ІТЕР Анатолій Красильников. - Капсула поїде вправо або вліво, у неї виросте "пузо" в якийсь бік - і в результаті термоядерних параметрів [паливо] не досягне. А американцям зробити це вдалося".
Побудована спеціально для цієї мети установка є 12-поверховим будинком площею в три футбольні поля. А на повну зарядку лазерів йде майже тиждень.
То чого саме досягли американці?
Сам по собі факт успішного створення умов для проведення термоядерного синтезу - не те щоб новина. Вчені з Інституту фізики плазми при Академії наук КНР ще кілька років тому навчилися розігрівати плазму в токамаку до 120 млн градусів і утримувати її в такому стані цілих 17 хвилин - а це умови більш ніж достатні.
В американському експерименті важлива саме "додана вартість" реакції.
Вперше в історії вченим вдалося "вийти у плюс": отримати на виході більше енергії, ніж пішло на запуск реакції. Такий собі "вічний двигун на стероїдах".
Якщо оперувати точними цифрами, сумарна потужність лазерного випромінювання становила близько 2 МДж, але на виході - в результаті термоядерного синтезу - отримали 3 МДж, тобто у півтора раза більше.
Тут, втім, треба зробити важливе застереження. Йдеться лише про енергію, безпосередньо поглинуту капсулою.
Загалом на зарядку 192 потужних лазерних випромінювачів і роботу установки в цілому пішло близько 477 МДж. А в такому разі ні про який "плюс" не йдеться: ККД реакції ледь перевищує жалюгідні пів відсотка.
То коли вже почнуть будувати термоядерні електростанції?
Оголошуючи світові про епохальний експеримент, міністерка енергетики США Дженніфер Грем назвала його "одним із найбільш вражаючих тріумфів науки XXI століття".
Водночас саме з погляду науки його навряд чи можна вважати якимось проривом.
"Жодного наукового прориву тут немає, - підтверджує Красильников. - Зрештою, установка спеціально була спланована для того, щоб саме такий результат отримати. Але тут, звичайно, є безсумнівно величезне інженерне досягнення".
З інженерної точки зору технологію справді можна вважати проривною. Однак шлях до світлого (а також теплого та екологічно чистого) термоядерного майбутнього довгий і тернистий.
Від повноцінно робочого, рентабельного термоядерного реактора промислового масштабу нас відділяє щонайменше років десять.
Проблема в тому, що приблизно такий самий - десятирічний - прогноз давали вчені ще в Радянському Союзі. А віз не те, щоб "і нині там", але все ж таки ще досить далекий від фінішу, щоб робити з цього приводу хоч скільки-небудь точні передбачення.
ІТЕР (Міжнародний експериментальний термоядерний реактор), який зараз будують у Франції, запрацює тільки до кінця поточного десятиліття - але і його завданням є не виробництво енергії, а подальше вивчення фізики процесу. Необхідно щонайменше упевнитися, що енергію термоядерного синтезу можна якось зібрати для подальшого використання - і вигадати спосіб це зробити.
За словами Анатолія Красильникова, реалістично появи повноцінної термоядерної електростанції варто чекати не раніше 2050-х років.
Хочете отримувати головні новини в месенджер? Підписуйтеся на наш Telegram або Viber!