До коммерческого ядерного синтеза по-прежнему десятилетия

Американские ученые из Национального центра зажигания (National Ignition Facility), входящего в состав Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL), на прошлой неделе объявили о крупном прорыве в области ядерного синтеза.

Впервые в истории учёным удалось получить в результате эксперимента по ядерному синтезу больше энергии, чем затраты энергии на лазеры, используемые для его питания.

В приведенной ниже инфографике Марк Белан и Бруно Вендитти из Visual Capitalist описывают ядерный синтез и иллюстрируют, как это открытие может проложить путь в будущее для новой формы чистой и устойчивой энергии.

Что такое ядерный синтез ?

Ядерный синтез питает Солнце и звёзды, где огромные силы сжимают и нагревают водородную плазму примерно до 100 миллионов градусов Цельсия. При этой температуре более лёгкие частицы превращаются в гелий, выделяя огромное количество энергии.

Ядерный синтез является довольно чистым источником энергии, поскольку он не производит вредных выбросов в атмосферу и производит лишь небольшое количество короткоживущих радиоактивных отходов.

Учёные пытались воспроизвести его на Земле в течение почти 70 лет, используя изотопы водорода — дейтерий и тритий — для питания термоядерных установок.

Поскольку дейтерий содержится в морской воде, а тритий образуется при облучении лития (распространённого элемента, используемого в батареях), доступность этих изотопов означает, что термоядерный синтез может стать основным источником энергии в будущем.

Например, количество дейтерия, присутствующего в одном литре воды, может дать столько же энергии термоядерного синтеза, сколько при сгорании 300 литров нефти.

Однако реальная проблема заключается в обеспечении того, чтобы термоядерные электростанции вырабатывали больше энергии, чем потребляли.

Проблема термоядерного зажигания

Зажигание термоядерного синтеза - это термин, обозначающий реакцию термоядерного синтеза, которая становится самоподдерживающейся, при которой реакция создает больше энергии, чем расходует. До сих пор ученые демонстрировали только выход в нулевой баланс.

Национальный центр зажигания использовал специальную установку под названием инерциальный термоядерный синтез, которая включает бомбардировку лазерами крошечной гранулы водородной плазмы для достижения термоядерного воспламенения.

Эксперимент LLNL превзошел порог термоядерного синтеза, доставив 2,05 мегаджоулей (МДж) энергии к цели, что, по данным Министерства энергетики США, привело к выработке энергии термоядерного синтеза 3,15 МДж.

Можно ли в ближайшее время коммерциализировать энергию ядерного синтеза ?

В последние годы технология fusion привлекает внимание правительств, а также частных компаний, таких как Chevron и Google. По оценкам Bloomberg Intelligence, рынок термоядерного синтеза в конечном итоге будет стоить 40 триллионов долларов.

Помимо производства энергии, ожидается, что термоядерный синтез будет использоваться на других рынках, таких как космические двигатели, морские двигатели, а также медицинское и промышленное тепло.

Однако, по словам директора Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса Ким Будил, пройдут “вероятно, десятилетия”, прежде чем энергия ядерного синтеза будет коммерциализирована.

Во время объявления о прорыве она отметила, что необходимо производить “много-много событий воспламенения термоядерного синтеза в минуту”, а также иметь “надёжную систему драйверов”, прежде чем термоядерный синтез можно будет успешно коммерциализировать.

По теоретическим расчётам, произведённым ещё 70 лет назад, термояд уже имел положительный выход энергии - физики посчитали тепловой баланс синтеза давно. И не имеет решающего значения, чем производится достижение критического порога зажигания: ядерным взрывом, магнитным сжатием или разогревом.

Десятилетиями бились над практической реализацией положительного выхода энергии. С этим можно поздравить !

Но чепчики рано бросать в безвоздушное пространство, т.к.:

1) Не решён вопрос долговременного удержания плазмы за пределами лабораторных доз.

2) Не разработан надёжный промышленный съём тепла.

3) Не решено поглощение нейтронов (это тот же п.2, но с учётом радиобезопасности). Только теория по урановым бланкетам и т.п.

4) Нет пока решений по непрерывности цикла - подачи нового топлива в активную зону. Самоподдержание синтеза только в границах изначально загруженной "таблетки".

5) Нет ясности в максимальных объёмах контролируемой плазмы - пока это лабораторные дозы, на которые уже огромные затраты и с которыми невозможно выйти на промышленные объёмы выработки энергии. 2 МДж - это 60 грамм антрацита. Это даже для бытового котла крохи.

6) Вопросы общей безопасности активной зоны, аналогичные для АЭС - только эти техрешения и бюрократия займёт лет 10.

Масштабирование лабораторного процесса до промышленных масштабов - это огромная задача. Напомню, что лучшие советские и российские ракетные двигатели РД-170 и РД-180 по тяге никто не может масштабировать до больших значений, т.к. теряется стабильность горения.