Прорив у термоядерному синтезі: вперше отримали більше енергії, ніж витратили

13 грудня 2022 року американські вчені оголосили про прорив у області термоядерного синтезу. Вперше у ході такої реакції вдалося отримати більше енергії, аніж витратити на неї, і це матиме наслідки для енергетичного ринку всього світу (але звісно, до цього ще дуже далеко). AIN.UA розповідає деталі.

Що сталося

Реакції ядерного синтезу — це буквально те «паливо», на чому працюють зірки, і наше Сонце зокрема: відбувається синтез гелію з водню, за рахунок чого вивільняється купа енергії, завдяки чому можливе життя на Землі. Наші АЕС працюють на заворотному процесі: керованому розщепленні ядер радіоактивних елементів (ізотопів урану).

Термоядерний синтез — це злиття ядер більш легких хімічних елементів, щоб утворилося ядро більш важкого елементу, що супроводжується виділенням великих обсягів енергії. Якби цей процес вдалося відтворити у лабораторних умовах і контрольовано, це означало би інше енергетичне майбутнє для всього людства, адже ядерний синтез — потужне джерело чистої енергії, що отримується без забруднення довкілля. Але до цього моменту вченим не вдавалося досягти точки, у якій на запуск термоядерної реакції потрібно менше енергії, ніж отримають в результаті.

Дуже спрощено термоядерна реакція виглядає так:

13 грудня 2022 року вчені Ліверморської національній лабораторії Лоуренса (Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL), які працюють на лазерній установці National Ignition Facility (NIF), оголосили про прорив у цій галузі.

Сама ідея про те, що термоядерну реакцію можна запускати за допомогою лазерів у лабораторному середовищі, з’явилась серед учених LLNL ще у 60-ті роки минулого століття. Щоб мати змогу протестувати цю гіпотезу, при LLNL будували все більш потужні та енергоємні лазерні системи (іноді жартують, що LLNL розшифровується як Lasers, Lasers, Nothing but Lasers). Сучасна NIF — розміром як стадіон, у лазерні промені використовуються, щоб створювати температури та тиск, подібні до умов всередині зірок або гігантських планет.

Термоядерну реакцію в лабораторії запускають за допомогою потужної системи лазерів NIF. Реакцію запускають, направляючи лазери на дейтерієво-трітієву мішень, як пояснює Nauka.ua.

5 грудня 2022 року їм вдалося витратити на запуск реакції менше енергії, ніж вони отримали в результаті: на мішень витратити 2,05 мегаджоулів енергії, а в результаті реакції отримали 3,15 мегаджоулів. У LLNL це називають найбільш фундаментальним науковим базисом для ICF — інерційного керованого термоядерного синтезу.

На фото нижче можна побачити найбільшу камеру NIF, де 5 грудня 2022 року вчені використали 192 лазерних променів, щоб утворити більш 2 млн джоулів енергії, щоб опромінити мішень та запустити реакцію.

Лазери настільки потужні, що за їхньої допомоги можна розігріти капсулу із дейтерієво-трітієвим паливом до 100 млн градусів за Цельсієм (гарячіше, ніж у центрі Сонця), і створити тиск у 100 млрд більший, ніж атмосферний.

Максимум, якого вдавалося досягнути на NIF: 70% від затраченої енергії, вчені отримали на цій самій установці 2021 року.

Чому це важливо

Звісно, до промислових реакторів, що працюватимуть на керованому термоядерному синтезі, ще дуже далеко, можливо, десятиліття. Для прикладу, ITER (Міжнародний експериментальний термоядерний реактор), який почали будувати ще у 80-х роках минулого століття, запрацює лише у 30-х роках цього століття.

Поки що йдеться про дослідження того, як запускати та контролювати такі реакції. Рікардо Бетті, професор з Університету Рочестера порівняв цей науковий прорив із тим, коли люди зрозуміли, що з нафти можна отримувати пальне, яке можна підпалити: до двигуна внутрішнього згоряння ще далеко, і це — ще не винахід автомобіля, але дуже важливий крок до цього.

Але все ж, це одне із найбільших наукових та інженерних досягнень людства у XXI столітті на даний момент, який показує майбутню можливість економічної ефективності такого джерела енергії. І це — важливий крок на шляху до енергетичної незалежності людства.