Сердце звезды забилось у нас на Земле. 150 млн градусов, 43 секунды — и это только разминка
NewsMakerТермояд всё ближе?
В немецком реакторе Wendelstein 7-X впервые удалось удержать плазму почти 43 секунды В немецком реакторе Wendelstein 7-X впервые удалось удержать плазму при помощи магнитного поля почти 43 секунды — намного дольше, чем в предыдущих экспериментах. За этим достижением скрывается не просто технический рекорд, а потенциальный шаг к управляемому ядерному синтезу — источнику практически неограниченной, относительно чистой энергии, топливом для которой может служить обычная морская вода.
Ядерный синтез давно называют святым Граалем энергетики. Его суть — воспроизвести процессы, происходящие в недрах звёзд, где лёгкие атомы водорода сливаются в более тяжёлые, высвобождая при этом колоссальное количество энергии. В отличие от классических ядерных реакторов, такой процесс не создаёт долгоживущих радиоактивных отходов и не требует использования редких или опасных материалов.
Тем не менее, устойчивое удержание сверхгорячей плазмы — иными словами, управляемый синтез — остаётся одной из самых сложных инженерных задач. Плазма, состоящая из заряжённых частиц водорода, разогревается до температур, многократно превышающих поверхность Солнца. Задача учёных — удержать её в ограниченном пространстве, не позволяя раскалённому веществу соприкасаться со стенками реактора.
Wendelstein 7-X — один из самых перспективных проектов, использующий концепцию так называемого стелларатора. В отличие от более известных токамаков , конструкция стелларатора не требует создания электрического тока внутри плазмы, а полностью полагается на сложнейшую систему внешних магнитных полей, чтобы удерживать вещество в нужной форме.
Недавний успех немецких инженеров — удержание плазмы в течение 43 секунд — стал серьёзным шагом вперёд. Впрочем, лидерство Германии тут же подверглось сомнению: британские исследователи из оксфордского реактора JET (Joint European Torus) заявили, что им удалось удержать плазму на 60 секунд ещё в декабре 2023 года, незадолго до завершения работы установки.
Эти результаты до сих пор оставались неопубликованными, но скоро будут официально представлены научному сообществу. Таким образом, обе установки — Wendelstein и JET — стали своеобразными совместными лидерами в гонке за стабильный ядерный синтез.
Однако важно учитывать, что JET работает по схеме токамака, а объём его плазмы в три раза превышает объём плазмы немецкой установки. С одной стороны, это усложняет задачу британцев, с другой — даёт определённое преимущество в эффективности процесса.
Противостояние двух подходов — токамаков и стеллараторов — длится уже не одно десятилетие. Оба метода основаны на принципе магнитного удержания: создание мощного магнитного поля для стабилизации и изоляции раскалённой плазмы. Разница в архитектуре: токамаки используют электрический ток внутри плазмы для усиления магнитного поля, а стеллараторам это не требуется — они полагаются на внешние магниты сложной геометрии.
Интересно, что успехи в управляемом синтезе происходят на фоне другого важного достижения — эксперимента на установке NIF (National Ignition Facility) в Калифорнии. В 2022 году там впервые удалось зажечь термоядерную реакцию методом инерциального удержания, когда мощнейшие лазеры направили энергию на крошечную капсулу с изотопами водорода — дейтерием и тритием.
В результате удалось получить больше энергии, чем было непосредственно подведено к топливу. Правда, стоит уточнить: вся установка потребила в сотни раз больше энергии, чем удалось высвободить в процессе синтеза. Кроме того, зарядка гигантских лазеров заняла более 12 часов. Таким образом, говорить о практическом применении этого метода пока рано.
Для сравнения: расчёты показывают, что для коммерческого производства энергии методом инерциального синтеза необходимо воспроизводить около десяти подобных взрывов каждую секунду — круглосуточно. Это грандиозный технический вызов, хотя ряд компаний, таких как Marvel Fusion в Германии или Xcimer Energy в США, утверждают, что могут сократить этот показатель, сохранив эффективность.
Тем временем большинство исследовательских центров и компаний продолжают ставку на магнитное удержание — как более стабильный и масштабируемый путь. Среди крупнейших проектов — международный токамак ITER, строящийся во Франции, который должен стать крупнейшей экспериментальной установкой по ядерному синтезу.
Однако стеллараторам вроде Wendelstein 7-X тоже отводится важная роль. Преимущество их конструкции — повышенная стабильность плазмы и потенциально более длительное удержание без повреждения внутренних стенок реактора. Команда под руководством Томаса Клингера из Института физики плазмы Макса Планка планирует уже в ближайшее время преодолеть рубеж в одну минуту непрерывной работы, а в перспективе — достичь получасового удержания.
Любопытно, что некоторые учёные, такие как Роберт Вольф, занимающийся оптимизацией Wendelstein, предполагают возможное объединение преимуществ токамаков и стеллараторов в будущих гибридных реакторах. Однако, как он сам признаёт, пока это лишь теоретические предположения.
На фоне конкуренции государственных проектов всё активнее проявляют себя частные компании. Канадская General Fusion разрабатывает реактор на основе технологии магнитного мишенного синтеза (MTF). Его суть — сочетание магнитного удержания и инерциального сжатия. Разработчики сравнивают такую установку с дизельным двигателем — она должна быть надёжной, практичной и относительно простой в эксплуатации.
Ещё один амбициозный проект — ARC, компактный токамак от Commonwealth Fusion Systems, основанный выходцами из MIT. По планам компании, первый коммерческий реактор, способный выдавать до 400 мегаватт электроэнергии — достаточно для питания 150 тысяч домов — может заработать уже в начале 2030-х годов.
Важную роль во всех этих проектах играют сверхпроводящие магниты, охлаждённые жидким гелием до температур, близких к абсолютному нулю. В таких условиях они создают мощнейшие магнитные поля при минимальных энергопотерях, что позволяет эффективнее удерживать плазму.
Некоторые учёные, в том числе Джордж Тайнан из Калифорнийского университета в Сан-Диего, скептически относятся к инерциальному синтезу, считая его чересчур сложным. Он признаёт научную значимость успеха NIF, но подчёркивает, что именно магнитное удержание пока остаётся более реалистичным путём.
При этом он отмечает важную тенденцию: частные инвестиции в синтез уже превышают государственные, что может серьёзно ускорить прогресс. По его словам, в сложных инженерных областях, таких как освоение космоса или синтез, частный сектор склонен рисковать активнее и действовать быстрее.
Несмотря на успехи, путь к коммерческим реакторам остаётся долгим. Как лазерные, так и магнитные методы требуют ещё многих лет экспериментов и доводки. Но впервые за десятилетия лозунг о синтезе через 30 лет звучит чуть менее саркастично. Возможно, к середине XXI века энергия звёзд действительно окажется у нас в розетках.
Ядерный синтез давно называют святым Граалем энергетики. Его суть — воспроизвести процессы, происходящие в недрах звёзд, где лёгкие атомы водорода сливаются в более тяжёлые, высвобождая при этом колоссальное количество энергии. В отличие от классических ядерных реакторов, такой процесс не создаёт долгоживущих радиоактивных отходов и не требует использования редких или опасных материалов.
Тем не менее, устойчивое удержание сверхгорячей плазмы — иными словами, управляемый синтез — остаётся одной из самых сложных инженерных задач. Плазма, состоящая из заряжённых частиц водорода, разогревается до температур, многократно превышающих поверхность Солнца. Задача учёных — удержать её в ограниченном пространстве, не позволяя раскалённому веществу соприкасаться со стенками реактора.
Wendelstein 7-X — один из самых перспективных проектов, использующий концепцию так называемого стелларатора. В отличие от более известных токамаков , конструкция стелларатора не требует создания электрического тока внутри плазмы, а полностью полагается на сложнейшую систему внешних магнитных полей, чтобы удерживать вещество в нужной форме.
Недавний успех немецких инженеров — удержание плазмы в течение 43 секунд — стал серьёзным шагом вперёд. Впрочем, лидерство Германии тут же подверглось сомнению: британские исследователи из оксфордского реактора JET (Joint European Torus) заявили, что им удалось удержать плазму на 60 секунд ещё в декабре 2023 года, незадолго до завершения работы установки.
Эти результаты до сих пор оставались неопубликованными, но скоро будут официально представлены научному сообществу. Таким образом, обе установки — Wendelstein и JET — стали своеобразными совместными лидерами в гонке за стабильный ядерный синтез.
Однако важно учитывать, что JET работает по схеме токамака, а объём его плазмы в три раза превышает объём плазмы немецкой установки. С одной стороны, это усложняет задачу британцев, с другой — даёт определённое преимущество в эффективности процесса.
Противостояние двух подходов — токамаков и стеллараторов — длится уже не одно десятилетие. Оба метода основаны на принципе магнитного удержания: создание мощного магнитного поля для стабилизации и изоляции раскалённой плазмы. Разница в архитектуре: токамаки используют электрический ток внутри плазмы для усиления магнитного поля, а стеллараторам это не требуется — они полагаются на внешние магниты сложной геометрии.
Интересно, что успехи в управляемом синтезе происходят на фоне другого важного достижения — эксперимента на установке NIF (National Ignition Facility) в Калифорнии. В 2022 году там впервые удалось зажечь термоядерную реакцию методом инерциального удержания, когда мощнейшие лазеры направили энергию на крошечную капсулу с изотопами водорода — дейтерием и тритием.
В результате удалось получить больше энергии, чем было непосредственно подведено к топливу. Правда, стоит уточнить: вся установка потребила в сотни раз больше энергии, чем удалось высвободить в процессе синтеза. Кроме того, зарядка гигантских лазеров заняла более 12 часов. Таким образом, говорить о практическом применении этого метода пока рано.
Для сравнения: расчёты показывают, что для коммерческого производства энергии методом инерциального синтеза необходимо воспроизводить около десяти подобных взрывов каждую секунду — круглосуточно. Это грандиозный технический вызов, хотя ряд компаний, таких как Marvel Fusion в Германии или Xcimer Energy в США, утверждают, что могут сократить этот показатель, сохранив эффективность.
Тем временем большинство исследовательских центров и компаний продолжают ставку на магнитное удержание — как более стабильный и масштабируемый путь. Среди крупнейших проектов — международный токамак ITER, строящийся во Франции, который должен стать крупнейшей экспериментальной установкой по ядерному синтезу.
Однако стеллараторам вроде Wendelstein 7-X тоже отводится важная роль. Преимущество их конструкции — повышенная стабильность плазмы и потенциально более длительное удержание без повреждения внутренних стенок реактора. Команда под руководством Томаса Клингера из Института физики плазмы Макса Планка планирует уже в ближайшее время преодолеть рубеж в одну минуту непрерывной работы, а в перспективе — достичь получасового удержания.
Любопытно, что некоторые учёные, такие как Роберт Вольф, занимающийся оптимизацией Wendelstein, предполагают возможное объединение преимуществ токамаков и стеллараторов в будущих гибридных реакторах. Однако, как он сам признаёт, пока это лишь теоретические предположения.
На фоне конкуренции государственных проектов всё активнее проявляют себя частные компании. Канадская General Fusion разрабатывает реактор на основе технологии магнитного мишенного синтеза (MTF). Его суть — сочетание магнитного удержания и инерциального сжатия. Разработчики сравнивают такую установку с дизельным двигателем — она должна быть надёжной, практичной и относительно простой в эксплуатации.
Ещё один амбициозный проект — ARC, компактный токамак от Commonwealth Fusion Systems, основанный выходцами из MIT. По планам компании, первый коммерческий реактор, способный выдавать до 400 мегаватт электроэнергии — достаточно для питания 150 тысяч домов — может заработать уже в начале 2030-х годов.
Важную роль во всех этих проектах играют сверхпроводящие магниты, охлаждённые жидким гелием до температур, близких к абсолютному нулю. В таких условиях они создают мощнейшие магнитные поля при минимальных энергопотерях, что позволяет эффективнее удерживать плазму.
Некоторые учёные, в том числе Джордж Тайнан из Калифорнийского университета в Сан-Диего, скептически относятся к инерциальному синтезу, считая его чересчур сложным. Он признаёт научную значимость успеха NIF, но подчёркивает, что именно магнитное удержание пока остаётся более реалистичным путём.
При этом он отмечает важную тенденцию: частные инвестиции в синтез уже превышают государственные, что может серьёзно ускорить прогресс. По его словам, в сложных инженерных областях, таких как освоение космоса или синтез, частный сектор склонен рисковать активнее и действовать быстрее.
Несмотря на успехи, путь к коммерческим реакторам остаётся долгим. Как лазерные, так и магнитные методы требуют ещё многих лет экспериментов и доводки. Но впервые за десятилетия лозунг о синтезе через 30 лет звучит чуть менее саркастично. Возможно, к середине XXI века энергия звёзд действительно окажется у нас в розетках.