Американские физики впервые получили энергию в контролируемой термоядерной реакции — им понадобилось 12 лет экспериментов Это значительное достижение, но до применения результатов на практике еще очень далеко

Физики команды Национального центра зажигания (NIF) из Ливерморской национальной лаборатории США (одной из двух основных лабораторий, которые занимаются в стране изучением ядерного оружия) во вторник вечером сообщили на большой пресс-конференции о важном результате — преодолении энергетического порога контролируемого термоядерного синтеза. Впервые в истории количество энергии, потраченной на разогрев топлива, оказалось меньше, чем количество энергии, выделенной в ходе термоядерного горения.

В пресс-релизе событие как минимум четырежды называют «историческим» и описывают как непосредственный шаг к получению чистой, безуглеродной и почти неограниченной энергии будущего. Однако в реальности до этого будущего, к сожалению, еще очень далеко — и не вполне ясно, насколько эксперимент в Ливерморской лаборатории это будущее приблизил. Чтобы разобраться, необходимо хотя бы немного погрузиться в контекст термоядерного синтеза.

Что такое термоядерный синтез и почему ученые не могут повторить его почти сто лет?

Контролируемый термоядерный синтез — то есть воспроизведение в лаборатории процессов, происходящих в ядре Солнца, — одна из самых амбициозных задач, стоящих перед физиками и инженерами. Ее решение действительно открывает путь к фактически неограниченному источнику энергии, который не создает каких-либо отходов и не связан с воздействием на климат через выбросы углекислоты. Однако амбициозность задачи компенсируется крайне скромными результатами, которые удалось получить за почти целый век попыток ее решить — если отсчитывать с момента открытия самого явления термоядерного синтеза. Да, делать термоядерные бомбы человечество научилось довольно быстро, но применить способность атомных ядер сливаться с выбросом энергии для чего-то более полезного до сих пор не удавалось.

Проблема очень проста. Точнее говоря, крайне трудна, но просто описывается: необходимо разогреть легкие атомы, например обычный водород и его изотопы, до состояния плазмы с температурой в пару миллионов градусов (чем выше температура, тем быстрее пойдет реакция) и удерживать эту плазму какое-то время в компактном виде. Тогда без особых усилий со стороны человека более легкие ядра будут сливаться в более тяжелые (например, из водорода можно получить гелий, но есть и более перспективные варианты) с выделением огромного количества энергии, которую надо будет просто собирать. Например, с помощью нагрева теплоносителя и применения паровых турбин — как на обычных электростанциях.

Специалисты по физике плазмы за последние полвека узнали на собственном опыте, что пара миллионов градусов — это все-таки чудовищно много. Настолько много, что удержание такой температуры даже в крохотном объеме представляет неслыханные технические трудности.

Для их преодоления существует два принципиально разных подхода. Первый — это удержание плазмы в магнитных ловушках разнообразного дизайна. Самый известный из них — «бублик»-токамак, но существуют и более экзотические вещи, такие как «скрученный бублик» стелларатор, или линейный соленоид, или даже камера с крутящимся жидким металлом (концепт компании General Fusion). Поле, которое необходимо для удержания плазмы такой температуры, можно создать лишь огромными сверхпроводящими магнитами — но поскольку сверхпроводников, работающих при миллионных температурах, еще не изобрели, магнитная ловушка неизбежно будет представлять собой экзотичный слоеный пирог с градиентом температур от миллионов градусов в центре реакции до пары сотен градусов ниже нуля — и все это в довольно небольшом объеме.

Технические сложности создания таких установок колоссальны, но их трудно описать занимательным образом. Помимо проблемы с охлаждением магнитов, есть серьезные препятствия для контроля большого потока нейтронов из центра плазмы — ведь поглощаясь, нейтроны приводят к быстрому разрушению даже самых стойких материалов. Другая проблема, с которой столкнулись физики в последние десятилетия, связана с крайне капризным поведением плазмы: будучи разогретой и пойманной в сильное магнитное поле, она начинает вести себя как капризный младенец или жидкость — использует малейшие слабые места в напряженности поля, чтобы «вытечь» из заданной формы. Любые искажения, выпячивания плазмы сразу же понижают ее температуру и останавливают реакцию, а бороться с таким поведением довольно трудно.

В общем, проблем у подхода, где для термоядерного синтеза используется магнитное поле, очень много. С другой стороны, для решения этих проблем в последнее время появилось много новых экспериментальных методов и установок. В эту область пришли даже коммерческие компании. Они обещают произвести в ней революцию, которой все уже давно устали ждать от самого большого термоядерного долгостроя — строящейся установки ITER.

Физики Национального комплекса зажигания предлагают другой вариант — он похож на взрыв термоядерной бомбы

Физики из Национального комплекса зажигания (NIF) исповедуют иной подход к термоядерному синтезу — он кардинально отличается от описанного выше. Та же задача — разогревание и удержание плазмы — решается без помощи магнитов, за счет простой инерции. Грубо инерциальный подход можно описать так: вместо того, чтобы медленно и аккуратно разогревать и удерживать плазму, топливо можно, наоборот, разогреть настолько быстро, что оно просто не успеет разлететься в разные стороны и его вовсе не надо будет удерживать. Инерциальный подход подразумевает упаковку всего термоядерного цикла в наносекундный интервал времени — и это в определенном смысле сближает его со взрывом термоядерной бомбы, только небольшим и контролируемым. Неудивительно, что NIF вырос из военных проектов Ливерморской лаборатории. Эксперименты в Национальном комплексе зажигания — это самое близкое к ядерным испытаниям, что сейчас есть в мире, где эти испытания давно не проводятся (одна из задач NIF, кстати, — контроль и анализ работоспособности ядерного арсенала США).

Для того чтобы провести почти мгновенное нагревание плазмы, в NIF используется гигантская система 192 ультрафиолетовых лазерных луча (это самые мощные лазеры из существующих). Они фокусируются на алмазной мишени размером с перчинку — хольрауме, — которая содержит «изморозь» топлива с изотопами водорода, дейтерием и тритием.

На крохотную долю секунды во время лазерной вспышки топливо, содержащееся в хольрауме, может достичь такой температуры и давления, что никакой особой проблемы с удержанием плазмы просто не будет — реакция пройдет еще до того, как плазма успеет разлететься, — примерно как в ходе взрыва бомбы. Плюсы такого подхода очевидны — он полностью убирает все сложности с созданием сложных магнитных полей, которые требуют настройки и охлаждения. Но и минусов, как выясняется, немало — и никто заранее не может сказать, что перевесит в будущем.

Что именно произошло 5 декабря 2022 года?

Теперь, после 12 лет работы Национального комплекса зажигания (и 3,5 миллиарда долларов, потраченных на его строительство), можно утверждать, что физики все-таки что-то знают о практическом использовании инерциального подхода.

В частности, до 5 декабря 2022 года никто не смог бы ответить на вопрос, возможно ли в принципе создать с помощью лазеров достаточно симметричное облако плазмы на месте бывшей мишени-хольраума — настолько симметричное, чтобы оно могло сжаться до нужной температуры и плотности почти в точку, а не превратиться в разряженную и бессмысленную струю, в которой не происходит термоядерной реакции. Как оказалось, создание такого облака — крайне сложная задача, для решения которой понадобились десятилетия попыток. Достижение правильного сочетания факторов потребовало не только испытания разных режимов работы лазеров, но и создания сложнейшей методики производства и тестирования хольраумов, которые — как не без гордости сообщил начальник отдела по их производству в NIF — изготавливают и тестируют как минимум семь месяцев, и даже после этого они могут не сработать из-за микроскопических дефектов размером не больше обычной бактерии.

Сложно представить, чтобы на заре проекта, в середине 1990-х, физики рассчитывали, что для достижения такой, казалось бы, простой цели — облучения таблетки с топливом лазерами — понадобится настолько высокая точность в каждом элементе системы.

Научившись работать с такой точностью, участники проекта констатируют: во время эксперимента утром 5 декабря мишень с дейтерием и тритием поглотила 2,05 мегаджоуля энергии, а выделила — впервые в истории — в полтора раза больше, 3,15 мегаджоуля. Что примерно эквивалентно сжиганию 100 грамм угля. Если иметь в виду многочисленные неудачи с воспроизведением результатов предыдущих экспериментов и десятилетия, потраченные на создание NIF, это действительно значительное достижение.

Что это означает для термоядерного синтеза?

С другой стороны, если посмотреть на тот же результат в историческом контексте, он может показаться довольно грустным: сложно представить, чтобы создатели NIF рассчитывали на такой долгий и неблагодарный путь на старте проекта. Еще сложнее — понять, какое влияние полученные результаты окажут на других специалистов области, которые в большинстве своем работают над созданием установок иного принципа — магнитных ловушек. Да и точность, которой потребовало производство мишеней для эксперимента, не вселяет особой надежды (интересно, что в 2021 году ученым удалось добиться не намного худшего результата — 70% энергии, поглощенной топливом, было выделено в ходе реакции, однако тот эксперимент очень долго не получалось воспроизвести; как оказалось, именно из-за сложностей с мишенями).

Конечно, NIF никогда не рассматривался в качестве прототипа будущей термоядерной установки (в отличие от ITER), но даже как прототип он уж очень далек от реального применения, несмотря на все намеки на «чистую энергию» в пресс-релизе о событии. Главная задача NIF на самом деле всегда была в стороне от реального применения в энергетике. Она заключалась в том, чтобы изучать термоядерные реакции в чистых лабораторных условиях в мире, где ядерные испытания запрещены, и учитывать полученные данные для моделирования ядерных взрывов. Как ученые справились с этой задачей — мы, конечно, не знаем и, видимо, узнаем не скоро. Но можно порадоваться хотя бы тому, что «гражданская» часть программы NIF спустя много лет все-таки выполнена.