Следы термоядерного лета

На строительстве термоядерного реактора ITER в Кадараше удалось установить центральные компоненты – массивные тороидальные катушки. Фото с сайта www.iter.org

Минувшее лето неожиданно оказалось богатым на новости о возможных прорывах в области управляемого термоядерного синтеза. Уже больше 70 лет как человечество живет в ожидании обретения практически неисчерпаемого источника энергии – управляемого термояда. Классическая термоядерная реакция (реакция термоядерного синтеза) – это слияние при высоких температурах легких ядер с образованием более тяжелых. Сопровождается выделением большого количества энергии; основной источник энергии Солнца и звезд. На этой теме выросло уже два-три поколения физиков. Вот-вот, вот-вот и… Пока не получается! Термояд остается очень логичной, легко поддающейся популяризации и красивой (даже просто визуально!) концепцией. Поэтому-то и неожиданно выглядит появление целой россыпи сообщений о достижениях в этой области, следовавших одно за другим.

«Холод», пузырьки и лазеры

Прежде всего можно напомнить, что реализация в земных условиях реакции термоядерного синтеза, аналогичной той, что идет в недрах Солнца, возможна несколькими путями. Самый, пожалуй, экзотический – так называемый холодный термояд.

Проблема холодного термояда сродни проблеме вечного двигателя. Умение проводить термоядерные реакции при комнатной температуре перевернет всю нашу жизнь. В 1989 году швейцарцы Мартин Флейшман и Стэнли Понс, пропустив ток через электролит в стеклянном сосуде с электродами из палладиевой проволоки, зарегистрировали, как они заявили, поток нейтронов. Эффект назвали холодным термоядом. В конце 1980-х годов ученые почти всерьез говорили об автомобилях, работающих на термоядерном движке, и мощнейших домашних электростанциях. Неудивительно, что открытие холодного термояда произвело эффект разорвавшейся бомбы. Есть и еще одно сходство с perpetuum mobile – с точки зрения академической науки холодного термояда не существует.

Несмотря на многочисленные попытки в разных физических лабораториях мира воспроизвести опыт Флейшмана и Понса, подтвердить наличие «холодной» термоядерной реакции пока не удалось.

В 2002 году в журнале Science появилось сообщение о реализации разновидности реакции холодного термояда – так называемого пузырькового или звукового термояда. Действие лабораторной термоядерной установки основано на эффекте акустической кавитации (в жидкости, подвергнутой воздействию акустической волны, образуется скопление мельчайших пузырьков, которые с огромной скоростью схлопываются). Сердце установки – небольшой цилиндр с ацетоном, в котором ядра водорода заменены ядрами дейтерия, имеющими в своем составе по дополнительному нейтрону. Ученые зарегистрировали поток нейтронов, вылетающих из камеры, где находился цилиндр с ацетоном. Это да еще появление ядер трития в облученном таким образом ацетоне представляют собой явные признаки термоядерной реакции.

Большой сторонник и пропагандист принципа пузырькового термояда – академик РАН Роберт Нигматулин. «Эта идея примерно такая же, как водородная бомба, но только маленькая, очень маленькая, – пояснял Роберт Нигматулин в 2004 году. – Были сомнения, что удастся сохранить сферическую симметрию, тем не менее удалось этого добиться. В центре пузырька, который испускает нейтроны, – от 100 до 200 млн градусов Кельвина. За эти доли пикосекунды (10–12 с. – «НГН»), в которые реализуется этот процесс, успевает за каждое схлопывание порядка десятка нейтронов выскочить. В общем, получается около 500 тыс. нейтронов в секунду. Это много с точки зрения физики, но этого мало, чтобы это было термоядерным реактором. Но это никакой не холодный термояд, это – супергорячий термояд, это микроводородная бомба».

Любопытно, что теоретическую схему этого процесса предложил как раз академик Роберт Нигматулин в середине 1990-х. По крайней мере в 1995 году он уже выступал с докладом «Перспективы пузырькового термояда» на научной конференции в США. Несколько американских физиков заинтересовались теоретическими выкладками российского ученого, и начались «камерные» лабораторные эксперименты.

Как бы там ни было, по словам Роберта Нигматулина, сейчас он продолжает теоретические исследования в этой области, и есть идеи, как повысить выход нейтронов в пузырьковом термояде.

А вот так называемый инерциальный термояд уже вышел на уровень экспериментальных мегаустановок.

В 2022 году ученым Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL, Калифорния) удалось получить в реакции управляемого термоядерного синтеза 3,15 мегаджоуля (МДж) энергии, затратив на разогрев плазмы 2,05 мегаджоуля.

Сообщение об этом достижении физиков стало одной из главных сенсаций года. Эксперимент выполнен учеными Национального комплекса лазерных термоядерных реакций США (National Ignition Facility, NIF). Об этом на специально созванной пресс-конференции объявили в декабре 2022 года представители Министерства энергетики США.

«Команда физиков, работающих на установке NIF, провела первый в истории контролируемый эксперимент по термоядерному синтезу, достигнув энергетической безубыточности. Это означает, что в результате синтеза было получено больше энергии, чем потребовалось от лазера для его начала», – указывается в сообщении Министерства энергетики США.

Сердце термоядерного реактора NIF в Ливерморской лаборатории – 192 мощных лазера, излучение которых одновременно концентрируется на миллиметровой сферической мишени (около 150 микрограммов термоядерного топлива – смесь дейтерия и трития; возможно, в дальнейшем радиоактивный тритий можно будет заменить легким изотопом гелия-3, которого так много на Луне). Температура мишени достигает в результате 100 млн градусов, при этом давление внутри шарика в 100 млрд раз превышает давление земной атмосферы. То есть условия в центре мишени сравнимы с условиями внутри Солнца.

Плотность лазерного излучения достигает при этом примерно 1015 Вт/кв. см. Энергия самого лазерного луча при этом составляет около 1 МДж. На Солнце подобное давление поддерживается миллиарды лет, а в микробомбе примерно одну миллиардную секунды. Зато в микробомбе и температура, и плотность, пусть мимолетно, превосходит солнечные параметры примерно на порядок.

Представьте теперь цепочку падающих в лазерное перекрестье шариков с компонентами термоядерного топлива (фактически миниатюрных водородных микробомбочек). И соответственно непрерывную цепочку микровзрывов… Все управляется фотоникой – очень быстро. Пока мишень идет в нужную точку, ее подсвечивают маломощные лазеры и показывают ее положение, координаты. Тут же происходит соответствующее реагирование всех остальных частей установки.

В 2006 году некоторые энтузиасты инерциального термояда рисовали такие перспективы развития этой технологии. 2025–2035 годы – запуск к Марсу трех-пяти пилотируемых термоядерных кораблей. Неожиданные применения микровзрывов, вплоть до генерации гравитационных волн. Доля термоядерной электроэнергетики достигает 5–10% в мировом энергопроизводстве, в том числе во Франции и Японии – 15–25%. (Доля ТОКАМАКов и других систем с магнитным удержанием плазмы при этом вряд ли превысит 1%).

С существенными поправочными коэффициентами, но эти прогнозы, кажется, движутся в сторону осуществления. Это касается и самого продвинутого, и самого щедро финансируемого – что немаловажно! – типа осуществления управляемой термоядерной реакции на основе систем с магнитным удержанием плазмы.

Бег по тору ITER

В 2009 году на заседании президиума Российской академии наук с докладом «Начало практических работ по термоядерной энергетике» выступал академик, президент Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (тогда он имел статус Российского научного центра) Евгений Велихов. Суть его выступления сводилась к следующему.

Во Франции, в местечке Кадараш, в 2007 году началось строительство Международного термоядерного экспериментального реактора (ITER). В основе проекта – термоядерная установка ТОКАМАК (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками – тор, «бублик», внутри которого парит в сильном магнитном поле плазменный шнур). Сам принцип удержания миллионоградусного плазменного шнура в магнитном поле предложен еще в 50-х годах прошлого века выдающимися советскими учеными, академиками Игорем Таммом и Андреем Сахаровым. ITER – крупнейший международный научно-технический проект, инициатива которого во многом принадлежит СССР (М.С. Горбачев, Е.П. Велихов – 1985 год). К 2009 году участниками проекта ITER стали Европейский союз, Китай, Индия, Япония, Республика Корея, Российская Федерация, Соединенные Штаты Америки. Вклад России в этот проект – 9,09% стоимости сооружения ITER и реализуется в виде изготовления и поставки уникального высокотехнологичного оборудования. Тех самых сверхвысокопроводящих магнитных катушек.

Если бы ITER работал стационарно, он за год выдавал бы 1 ГВт электроэнергии плюс 2 ГВт – за счет сгорания ядерного топлива. Это составляет половину мощности Красноярской ГЭС. В идеале реактор должен выдавать мощность 500 МВт не менее 400 с без перерыва при потреблении 50 МВт непосредственно на нагрев плазмы, отмечает издание World Nuclear News. Вспомогательные структуры реактора при этом могут дополнительно потреблять 300 МВт, но для опытной установки это мелочи.

Сердце термоядерного реактора NIF в Ливерморской лаборатории – 192 мощных лазера, излучение которых одновременно концентрируется на миллиметровой сферической мишени (около 150 микрограммов термоядерного топлива).  Фото Reuters

Но 20 июня 2024 года на заседании Совета ITER были определены новые временные рамки ключевых этапов реализации проекта. Задержки могут составить до 10 лет. Это сделает проект дороже, но в целом не повлияет на достижение поставленных 10 лет назад задач – зажечь на Земле «искусственное Солнце» и получить почти бесконечный источник чистой энергии. Генеральный директор ITER Пьетро Барабаски подчеркнул, что даже без выявления брака прежние сроки экспериментального пуска выдержать было нельзя – настолько затянулось строительство. Кстати, бюджет строительства ITER с первоначальных 6 млрд долл. подрос сегодня до более чем 22 млрд.

Тем не менее в начале июля из Кадараша пришло сообщение: удалось установить центральные компоненты ITER – массивные тороидальные катушки. Каждая из этих сверхпроводящих магнитных катушек имеет высоту 17 м, ширину 9 м и весит 360 т. В катушках уложены провода общей длиной более 87 тыс. км. В процессе эксплуатации эти кабели необходимо охлаждать до –269 °С. Расчетная энергия магнитного поля – 41 млрд джоулей. И это – самый сильный искусственный магнит из когда-либо созданных.

Новые сроки не означают, что все научные исследования на проекте сдвинуты на 10–15 лет. Например, эксперименты с малыми токами плазмы начнутся раньше по мере сборки реактора.

Но пока это только предположения, другие научные группы по всему миру продолжают полноценные эксперименты на своих токамаках.

Step by step

Так, технология американского стартапа Zap Energy не требует дорогих магнитных катушек, реактор очень компактен. На нем, конечно, невозможно достичь температуры около 150 млн градусов, необходимой для поддержания термоядерного синтеза. В конце апреля команда Zap Energy сообщила в пресс-релизе, что им удалось нагреть плазму до 37 млн градусов даже с помощью своего компактного токамака. Их исследовательский реактор FuZE использует технологию под названием «Z-Pinch»: сильные токи пропускаются через тонкую плазменную нить, создавая сильные магнитные поля. Эти поля сжимают плазменную нить и дополнительно нагревают ее. Без всякого внешнего магнитного поля. «Мы теперь можем конкурировать с некоторыми из ведущих в мире термоядерных устройств, но с гораздо меньшими сложностями и затратами», – отметил сотрудник Zap Energy Бен Левитт в пресс-релизе…

Похоже, научно-технологические стартапы готовы составить серьезную конкуренцию гигантским международным коллаборациям вроде ITER. Так, стартап Realta Fusion 18 июля сообщил о новом рекорде. Совместно с Университетом Висконсина в эксперименте им удалось удерживать плазму в сильнейшем стабильном магнитном поле. Использовался университетский испытательный комплекс WHAM. Создаваемая в нем плазма могла удерживаться магнитным полем силой 17 Тесла. Хотя уже существуют экспериментальные электромагниты, достигающие напряженности поля 18 и 20 Тесла, с их помощью еще не удалось захватить плазму с такой силой. Ресурс overclockers.ru приводит подробности: «Нынешний рекорд был достигнут с помощью магнитов из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Высокая температура относится к критической температуре обычных сверхпроводников, свойства высокой проводимости которых близки к абсолютному нулю (–273,15 °C). Температура ВТСП в настоящее время составляет от –196,2 до –135 °C»...

В мае на французском токамаке WEST установлен новый рекорд удержания в магнитном поле плазмы с температурой около 50 млн градусов – 6 минут! В этом реакторе в качестве внутренней облицовки используется вольфрам – металл с температурой плавления в 3420 °C. Как сообщает издание Quartz, не так давно рекорд по времени удержания плазмы более чем в 100 млн градусов в течение 20 секунд поставил корейский токамак KSTAR. И он тоже использовал вольфрам…

Конечно, не отстают и китайцы. Сетевое издание tech.news 20 июня сообщило, что в Китае завершили строительство и ввели в эксплуатацию токамак Honghuang 70 (HH70). Традиционно токамаки большие и дорогие. Однако HH70, спроектированный и построенный коммерческой компанией Energy Singularity, компактнее и дешевле в производстве. Китайский ресурс CGTN подчеркивает, что «HH70 – первый в мире токамак с магнитной системой, изготовленной из высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Компания Energy Singularity достигла этого результата за два года, установив мировой рекорд по самой быстрой разработке и созданию сверхпроводящего токамака». К 2027 году Energy Singularity намерена создать токамак следующего поколения – стационарную модель высокотемпературного сверхпроводника с сильным магнитным полем. Конечная цель – создание демонстрационной электростанции к 2030 году…

Но американцы не были бы американцами, если бы позволили себе отставание в коммерциализации высоких технологий. Не случайно глава компании OpenAI Сэм Альтман недавно заявил, что новые энерготехнологии вроде термоядерного синтеза будут необходимы инфраструктуре искусственного интеллекта (ИИ). Альтман считает, что справиться с возникающими задачами без качественного прорыва невозможно и что необходим термоядерный синтез или комбинация чрезвычайно дешевых солнечных элементов с энергохранилищами – в огромных масштабах.

От слов – к делу. Компания OpenAI, активно усиливающая свои ИИ-системы, по данным Datacenter Dynamics, намерена закупать в «огромных объемах» энергию для своих центров обработки данных у разработчика термоядерных проектов – компании Helion. В нее OpenAI инвестировала 375 млн долл. Не отстают и другие игроки IT-рынка. Microsoft заключила с Helion соглашение о покупке «чистой» энергии еще в прошлом году – это первый в своем роде контракт, связанный с термоядерным синтезом. В рамках сделки Helion будет поставлять Microsoft до 50 МВт безуглеродной энергии.

В Helion заверяют, что ее термоядерная электростанция заработает уже в 2028 году. Она, как ожидается, будет использовать гелий-3…

Что в России, на родине токамаков. 13 мая ТАСС сообщил, что специалисты Национального исследовательского ядерного университета МИФИ совместно с коллегами из КНР предложили новый сплав, который, согласно гипотезе, лучше всего подойдет для внутренних стенок строящегося международного термоядерного реактора ITER. Как сообщили в пресс-службе НИЯУ МИФИ, в качестве такого материала предложен сплав вольфрама, хрома и иттрия. До сих пор, напоминают ученые из МИФИ, в качестве материала для стенок реактора, обращенных непосредственно к плазме, планируется использовать вольфрам благодаря его тугоплавкости. В последние годы вольфрам успешно применяется аналогичным способом в крупных исследовательских реакторах, таких как JET (Великобритания), ASDEX Upgrade (Германия) и WEST (Франция).

Однако физики планируют, что в будущих термоядерных реакторах потоки тепла и частиц будут выше, чем в существующих исследовательских реакторах. Есть опасения, что в таких условиях эксплуатации вольфрам будет деградировать. Главной проблемой здесь считается поглощение стенками водорода, изотопом которого является дейтерий.

Экспериментальный сплав на основе вольфрама с добавлением иттрия и хрома после обработки высоковакуумным отжигом показал высокую устойчивость к воздействию дейтерия. Он меньше поглощает водород. В ходе эксперимента был применен метод внедрения ионов дейтерия на ионно-пучковой установке. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Journal of Nuclear Materials…

Остается добавить, что в задачи ITER входит доказательство концепции – работы масштабного термоядерного реактора по схеме токамака. ITER не предназначен для генерации электрического тока. Эта задача другого международного проекта – DEMO. Он подразумевает постройку полноценной электростанции на термоядерном реакторе типа токамак. Степень участия России в этом проекте сегодня предугадать невозможно. n