Его последствия выходят далеко за пределы самой Земли, затрагивая даже будущее космических путешествий.
Ключевые выводы
- Исследователи из Национального центра воспламенения в Ливерморе, Калифорния, добились чистого прироста энергии в эксперименте по термоядерному синтезу. Но насколько велик этот прорыв на самом деле?
- Как только физики поняли, как Солнце производит свою энергию, они стали мечтать о том, чтобы тот же процесс работал на Земле. Они работали над ним с 1950-х годов и, наконец, добились успеха.
- Впереди еще долгий путь. Но теперь мы можем с уверенностью сказать, что в недалеком будущем термоядерные электростанции будут генерировать все потребности мира в энергии, экологически чисто и с невероятно низкими затратами.
Во вторник Министерство энергетики США объявило, что исследователи из Национального центра по воспламенению в Ливерморе, штат Калифорния, добились чистого прироста энергии в эксперименте по термоядерному синтезу. Результат был провозглашен одним из самых важных научных прорывов 21st века и первым шагом к святому Граалю - дешевому и изобилующему источнику чистой энергии.. Новость пинг-понгом облетела СМИ. У меня была возможность очень кратко объяснить, что это значит как на NBC, так и на MSNBC.
Но что все это значит? Действительно ли результаты так замечательны, как рекламирует Министерство энергетики? И когда у всех нас на кухне появится Мистер Фьюжн?
Основные концепции слияния
Помимо того, что я профессор кафедры физики и астрономии Рочестерского университета, я также являюсь ученым в Лаборатории лазерной энергетики, расположенной к югу от кампуса. Лаборатория является ведущим исследовательским центром лазерного термоядерного синтеза, финансируемым Министерством энергетики США в размере 30 миллионов долларов в год. Это меньший родственник National Ignition Facility - место, где многие идеи сначала исследуются, прежде чем доставить их в Ливермор. (LLE может запускать свои лазеры один раз в час, в то время как NIF может запускать только один раз в день.)
С этой точки зрения я провел более 20 лет, наблюдая за стремлением к термоядерному синтезу. И я могу сказать вам, что да, без сомнения, объявление во вторник действительно имеет большое значение.
Солнце питается от реакций термоядерного синтеза в его ядре. Четыре ядра водорода - каждое с одним протоном - сжимаются вместе, образуя ядро гелия с двумя протонами и двумя нейтронами. В процессе они высвобождают некоторую энергию, как описано E=mc2 Солнце проворачивает этот трюк, используя гравитационное сжатие своей массивной массы - 330 000 раз больше массы Земли. Все это гравитационное сжатие заставляет температуру в ядре Солнца превышать 10 миллионов градусов по Кельвину. Это создает давление, которое сталкивает ядра водорода достаточно сильно, чтобы произошла необходимая ядерная трансмутация.
Как только физики поняли, что именно так Солнце производит свою энергию, они начали мечтать о том, чтобы тот же процесс работал на Земле. Но у ученых нет массы в 330 000 земных масс, чтобы все заработало, и в кругах ученых по термоядерному синтезу существует давняя шутка, что независимо от того, когда вы спрашиваете, термоядерный синтез всегда будет через 20 лет. Сначала ученые пытались использовать магнитные поля для создания необходимого давления. Позже они увидели, что могут использовать сходящиеся лазерные лучи для создания сжатия. Независимо от метода важно то, что с 1950-х годов кто-то где-то работал над достижением термоядерного синтеза в лаборатории. Процесс был болезненным, а прогресс медленным.
На это ушли десятилетия, но мы наконец набрались энергии
В то время как магнитный синтез и лазерный синтез (также называемый инерционным удержанием) боролись за превосходство, ни один из методов не достиг точки, когда любая энергия, извлекаемая в результате термоядерных реакций, превышала энергию, затрачиваемую на инициирование этих реакций. Проще говоря, не было чистого прироста энергии.
Когда в начале этого века Министерство энергетики решило построить Национальную установку зажигания, NIF сразу же стал дедушкой всех машин для лазерного синтеза. Он был настолько большим, что все ожидали чистого прироста энергии всего через несколько лет. Но поначалу завод не смог выполнить эти обещания. Энергия лазера, которая должна была достичь цели - крошечной капсулы из дейтерия и трития - отбрасывалась плазмой, образовавшейся при взрыве капсулы. Эти первоначальные неудачи заставили некоторых задуматься о том, было ли просто невозможно осуществить термоядерный синтез в лаборатории. Возможно, процесс был слишком сложным, со слишком большим количеством нестабильностей, которые могли помешать воспламенению термоядерного синтеза.
Но, наконец, победили ученые из Национального центра по воспламенению. С терпением и изобретательностью они работали и переделывали схему своих экспериментов - лазерный импульс, топливную капсулу и все, что только могли придумать, - и постепенно приближались к своей цели. Наконец, они вызвали неконтролируемое термоядерное воспламенение. Как зажженная спичка, когда дейтериево-тритиевое топливо начало гореть, оно выделило больше энергии, чем было использовано для начала термоядерных реакций. Этот результат, наконец, положил конец первой части старой «20-летней» шутки. Этой вехи ученые-термоядерщики ждали 50 лет, и теперь она вошла в учебники истории.
Итак, когда термоядерные электростанции начнут генерировать все потребности мира в энергии, чисто и по невероятно низкой цене? Ну… примерно через 20 лет. Но цель теперь достижима. Раньше мы даже не знали, возможен ли синтез в лаборатории. Теперь мы знаем, что это так. Дальнейшее продвижение вперед связано с решением множества технических и инженерных задач. Это определенно займет более 10 лет, но сейчас 20 или 30 лет - это реальный срок для разработки работающего коммерческого реактора. Теперь, когда мы знаем, что это возможно, нас ничто не остановит.
Последствия такого прорыва трудно понять. Представьте, что мир мог бы сделать с почти безграничным запасом дешевой чистой энергии. Чего мы могли бы достичь? Как мы можем прогрессировать? Последствия парят за пределами Земли. Ракеты с ядерным синтезом сделают реальностью непрерывное ускорение/замедление до Марса и остальной части Солнечной системы. Вместо того, чтобы добираться до Марса от шести до девяти месяцев, вы можете оставить свой двигатель включенным, ускоряясь и замедляясь со скоростью 1G, чтобы добраться до Марса всего за несколько недель. Так что действительно, есть много способов добиться зажигания термоядерного синтеза, который изменит правила игры.