Что не так с термоядерным синтезом? (4 фото)

Давний анекдот о синтезе — что это наш будущий источник энергии и всегда таким будет — пожалуй, является самой большой проблемой для этой сферы. Стремление поместить энергию солнца в бутылку привело к бесчисленным мечтательным предсказаниям на тему неизбежной революции в сфере экологически чистой энергии. Но ожидание синтеза так и осталось ожиданием, кредит доверия давно исчерпан, а общественное отношение к этому вопросу уже ничем не спасти.

Хотя наш цинизм о синтезе может быть вполне оправданным, он также весьма печален. Потому что, несмотря на прохладную поддержку и постоянные проблемы с финансированием, исследователи умудряются добиваться прогресса в направлении этого футуристического источника энергии. Однажды ученые справятся со всеми техническими проблемами. Однажды.

На прошлой неделе редактор io9 посетил Принстонскую лабораторию физики плазмы, чтобы взглянуть на недавно модернизированный эксперимент NSTX-U (National Spherical Torus Experiment), самый мощный «сферический токамак» — реактор синтеза на Земле. 85-тонная машина в форме гигантского яблока использует высокоэнергетические частицы для нагрева атомов водорода до температуры 100 миллионов градусов по Цельсию, что выше, чем в ядре Солнца. Для удержания этой сверхгорячей плазмы, обмоточные медные катушки генерируют магнитное поле в 20 000 раз более мощное, чем у Земли. Все для того, чтобы в течение нескольких волшебных секунд атомные ядра сталкивались, синтезировались и выпускали энергию.

Этот эксперимент является шагом на пути к создания установки синтеза, которая будет работать постоянно, запитывая целые города всего лишь одним граммом морской воды.

Звучит, конечно, это прекрасно. Но ядерная физика говорит свое веское «нет».

Что не так с термоядерным синтезом? (4 фото)

Легко понять, почему сфера энергии синтеза склонна к громким заявлениям — в основе лежит просто невероятная идея. Но что больше всего поражает во время экскурсии по PPPL, это не волшебная наука, которая творится внутри гигантского реактора, и не центр управления а-ля Хьюстон, где десятки ученых проводят моделирования на суперкомпьютерах. Поражает баланс оптимизма на тему будущего энергии синтеза и реализма на тему сложных физических и технических проблем, которые необходимо решить на пути к этому будущему.

«Все это слишком классно, чтобы быть правдой: сама идея того, что мы получим источник безграничной и безуглеродной энергии», — говорит Клейтон Майерс, плазмофизик из NSTX-U. — Но ядерная физика говорит, что это не так. Доказано лишь то, что термоядерные реакции реальны и что мы можем их проводить».

Первая проблема, как выяснили физики в 1950-х и 1960-х, заключается в том, что синтезируемая плазма — свободно текущий бульон из протонов и электронов, атомные ядра которых сталкиваются и испускают энергию — не любит, когда ее удерживают. Она хочет расплескиваться повсюду, и нам нужно достаточно высокое давление и длительное время, чтобы мы могли произвести больше энергии, чем потратить на удержание этой плазмы.

Наше солнце удерживает плазму силой своей гравитации, но на Земле мы должны полагаться на мощные магниты и лазеры для этого. И цена ошибки очень высока. Даже крошечное количество сбежавшей плазмы может пробить стенку реактора и остановить процесс.

Область физики плазмы расцвела из желания закупорить звезду в бутылке. За последние несколько десятилетий эта область разрослась в бесчисленных направлениях, от астрофизики до космической погоды и нанотехнологий.

По мере того, как росло наше общее понимание плазмы, росли и наши возможности поддержания условий синтеза в течение больше чем секунды. В начале этого года новый сверхпроводниковый реактор синтеза в Китае смог удержать плазму температурой в 50 миллионов градусов по Цельсию в течение рекордных 102 секунд. Wendelstein X-7 Stellarator, который заработал в Германии впервые прошлой осенью, как ожидается, сможет побить этот рекорд и удержать плазму до 30 минут за раз.

Недавнее обновление NSTX-U выглядит скромным в сравнении с этими монстрами: теперь эксперимент может удерживать плазму в течение пяти секунд вместо одной. Но и это тоже является важной вехой.

«Создание термоядерной плазмы, которая живет всего пять секунд, может показаться не очень длительным процессом, но в физике плазмы пять секунд можно сравнить с ее физикой в стабильном состоянии», — говорит Майерс, ссылаясь на условия, при которых плазма стабильна. Конечная цель заключается в достижении стабильного состояния «горящей плазмы», которая может проводить синтез сама по себе за счет небольшого ввода энергии извне. Ни один эксперимент пока такого не добился.

NSTX-U позволит принстонским исследователям заполнить некоторые пробелы между тем, что известно из физики плазмы сейчас, и тем, что будет необходимо для создания опытно-промышленной установки, способной достичь устойчивого состояния горения и генерации чистой электроэнергии.

С одной стороны, чтобы найти лучшие материалы для удержания, нам нужно лучше понять, что происходит между термоядерной плазмой и стенками реактора. В Принстоне изучают возможность замены стенок своего реактора (из угольного графита) на «стенку» из жидкого лития с целью снижения долгосрочной коррозии.

Ко всему прочему, ученые полагают, что если синтез поможет в борьбе с глобальным потеплением, им нужно поторапливаться. NSTX-U поможет физикам решить, стоит ли продолжать развивать дизайн сферического токамака. Большинство реакторов типа токамак в меньшей степени похожи на яблоко по форме и в большей — на пончик, бублик, тор. Необычная форма сферического тора позволяет более эффективно использовать магнитное поле своих катушек.

«В длительной перспективе мы хотели бы выяснить, как оптимизировать конфигурацию одной из этих машин, — говорит Мартин Гринвальд, замдиректора Центра наук о плазме и синтезе в MIT. — Для этого вам нужно знать, как производительность машины зависит от того, что поддается вашему контролю, вроде формы».

Что не так с термоядерным синтезом? (4 фото)

Майерс ненавидит оценивать, насколько мы далеки от коммерчески возможной термоядерной энергии, и его можно понять. В конце концов, десятки лет неизбывного оптимизма нанесли серьезный вред репутации этой области и укрепили мысли о том, что синтез — это несбыточная мечта. Со всеми последствиями для финансирования.

Для программы синтеза MIT стало серьезным ударом то, что федералы предоставили поддержку токамака Alcator C-Mid, который производит одно из мощнейших магнитных полей и демонстрирует синтезируемую плазму при высочайшем давлении. Большинство ожидаемых исследований NSTX-U будут зависеть от дальнейшей поддержки на федеральном уровне, которая, по словам Майерса, оказывается «через год».

Всем приходится осторожно тратить доллары, выделяемые на исследования, а некоторые программы синтеза уже сожрали невероятные суммы. Взять, например, ИТЭР, огромный сверхпроводящий реактор синтеза, который в настоящее время строится во Франции. Когда в 2005 году началось международной сотрудничество, оно было заявлено как проект на 5 миллиардов долларов и 10 лет. После нескольких лет неудач ценник вырос до 40 миллиардов долларов. По самым оптимистичным оценкам, объект будет завершен к 2030 году.

И там где ИТЭР, похоже, будет разбухать как опухоль, пока не исчерпает ресурсы и не убьет хозяина, урезанная программа синтеза в MIT показывает, как можно сделать все с гораздо меньшим бюджетом. Прошлым летом команда аспирантов MIT представила планы ARC, термоядерного реактора с низким уровнем затрат, который будет использовать новые высокотемпературные сверхпроводящие материалы для генерации такого же объема энергии, как и ИТЭР, только с гораздо меньшим устройством.

Что не так с термоядерным синтезом? (4 фото)

«Проблема синтеза в том, чтобы найти технический путь, который сделает его экономически привлекательным — это-то мы и планируем сделать в ближайшее время, — говорит Гринвальд, отмечая, что концепция ARC в настоящее время проводится в рамках Energy Initiative в MIT. — Мы считаем, что если синтез будет иметь значение для глобального потепления, нам нужно двигаться быстрее».

«Синтез обещает быть основным источником энергии — это, по сути, наша конечная цель», — говорит Роберт Рознер, плазмофизик из Университета Чикаго и соучредитель Института энергетической политики при нем. «В то же время есть важный вопрос: сколько мы готовы потратить прямо сейчас. Если мы снизим финансирование до той точки, когда следующее поколение умных детишек вообще не захочет этим заниматься, мы можем вообще выйти из этого дела».