Путь к термоядерной энергии сталкивает гигантские лазеры с мощными магнитами

День, когда люди смогут использовать ту же энергию, которая освещает звезды, может наступить раньше, чем вы думаете — достижение этого момента позволит высвободить обильное электричество без выбросов парниковых газов.

Уилл Уэйд, Джонатан Тирон и Дэвид Р. БейкерГрафика Дэйва Меррилла

Поделиться этой статьей

Человечество стоит на пороге чего-то феноменального: использования того же источника энергии, который освещает звезды, для получения почти безграничной, безуглеродной энергии. Ученые недавно доказали, что мечта — ядерный синтез для производства энергии — возможна. Теперь переход от лабораторного эксперимента к строительству коммерческого завода станет гонкой, в которой гигантские лазеры будут сражаться с мощными магнитами.

После десятилетий экспериментов появились две конкурирующие конструкции термоядерных установок. Один требует, чтобы лазеры высокой интенсивности запускали серию реакций, которые сталкивают атомы друг с другом много раз в секунду. Другой будет использовать сверхсильные магниты, чтобы удерживать облако плазмы, которое горит горячее Солнца. Хотя в недавнем прорыве использовались лазеры, многие эксперты скептически относятся к коммерческим перспективам. Говорят, что лучший вариант — магниты.

В декабре в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса крошечная топливная капсула, содержащая две формы водорода, была взорвана лазерами.

В результате реакции синтеза было получено больше энергии, чем было передано лазерами на мишени.

Ставки не могли быть выше. Если исследователи смогут заставить термоядерный синтез работать в больших масштабах, это откроет двери для электростанций, которые будут поставлять дешевую и обильную электроэнергию днем ​​и ночью, не выделяя парниковых газов и не опасаясь ядерного взрыва. Идея воссоздания экстремальных условий жизни звезд на электростанции может показаться чем-то из научной фантастики, однако самые оптимистичные эксперты говорят, что до этого порога осталось всего около десяти лет. Другие ученые прогнозируют, что это произойдет через 20 или 30 лет.

«Термоядерный синтез всегда был вершиной энергетических технологий», — сказал Боб Мамгаард, генеральный директор Commonwealth Fusion Systems. «Это очень сложная задача с большой отдачей».

На гонку уже делают ставки некоторые из самых богатых людей мира. Джефф Безос, Билл Гейтс и Питер Тиль — лишь трое из миллиардеров, инвестирующих в стартапы. Инвесторы и правительства вложили более 4,8 миллиардов долларов в компании, занимающиеся термоядерным синтезом, во главе с Commonwealth Fusion, стартапом, созданным на базе Массачусетского технологического института и получившим 2 миллиарда долларов. TAE Technologies получила более $1,1 млрд. Ассоциация индустрии фьюжн отслеживает 33 стартапа. Пятнадцать сосредоточены на магнитном подходе, а восемь работают над дизайном лазера. Остальные используют множество других технологий.

Дорога будет долгой и сложной. И лазерный, и магнитный подходы сталкиваются с серьезными техническими проблемами, научными загадками и ценовыми препятствиями. Но если сделать это правильно, это будет означать огромный прогресс для мира. Долгосрочные климатические проблемы человечества станут гораздо более управляемыми, и это достижение может положить начало новой эре в энергетике и науке.

Как работает синтез В то время как сегодняшние атомные электростанции используют деление, расщепляющее атомы, термоядерный синтез улавливает энергию, вырабатываемую при слиянии атомов. Термоядерный синтез уже используется для придания современному ядерному оружию его разрушительной мощи, но цель состоит в том, чтобы приручить его для удовлетворения потребностей в гражданской энергии.

Это непростая задача. Он предполагает работу при чрезвычайно высоких температурах, сдерживание реакции, улавливание энергии и все это при производстве большего количества электроэнергии, чем потребляет процесс.

Прорыв Вскоре после полуночи 5 декабря ученые из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии направили самый мощный в мире лазер на алмазную гранулу размером с горошину перца, наполненную изотопами водорода. Он излучал 192 луча тремя тщательно модулированными импульсами.

Лучи доставили 2,05 мегаджоуля энергии, запустив реакцию, которая превратила водород в гелий и высвободила в процессе 3,15 мегаджоуля — разница чуть больше мегаджоуля или примерно эквивалента энергии, выделяемой ручной гранатой. Это было достижение, к которому ученые стремились десятилетиями. Эта веха, известная как чистый прирост энергии, доказала, что люди могут раскрыть силу звезд. Но создание коммерческого завода будет означать необходимость генерировать в 1000 раз больше энергии каждую секунду, говорит Стивен Коули, директор Принстонской лаборатории физики плазмы.