Прорив ядерного синтезу в контексті

ВАШИНГТОН, Округ Колумбія – 13 ГРУДНЯ: Директор Національної лабораторії Лоуренса Лівермора д-р Кім Буділ … [+] виступає під час прес-конференції з колегами-адміністраторами та вченими в штаб-квартирі Департаменту енергетики, щоб оголосити про прорив у дослідженнях термоядерного синтезу 13 грудня 2022 р. у Вашингтоні, округ Колумбія. Офіційні особи оголосили, що експерименти на Національному заводі запалювання в LLNL досягли «займання», коли генерована енергія термоядерного синтезу дорівнює енергії лазера, яка вперше запустила реакцію, що є великим прогресом, який може виробляти щедру чисту енергію в майбутньому. (Фото Chip Somodevilla/Getty Images)

Getty Images

Минулого місяця National Ignition Facility у Національній лабораторії Лоуренса Лівермора (LLNL) у Каліфорнії оголосила про значний прорив у дослідженнях ядерного синтезу. Відтоді багато людей запитували мене, що насправді означає цей прорив.

Спочатку давайте обговоримо деякі основи ядерного синтезу. Сучасні атомні електростанції засновані на ядерному розподілі, який є розщепленням важкого ізотопу, такого як уран-235, на два менших ізотопу. (Ізотопи — це просто різні форми елемента).

Простіше кажучи, ядерний поділ схожий на постріл крихітної кулі в центр ізотопу, що спричиняє його нестабільність і розщеплення. Коли він розщеплюється, він вивільняє величезну кількість енергії (маса та енергія пов’язані відомим рівнянням Ейнштейна E = Mc2). Потім цю енергію можна перетворити на електрику.

Однак одне з основних заперечень проти ядерного поділу полягає в тому, що побічні продукти поділу є високорадіоактивними, і багато з них є довгоживучими. Іншими словами, вони становлять небезпеку для життя, якщо з ними не поводитися належним чином. Через ці радіоактивні побічні продукти дехто виступає проти ядерної енергетики.

Ядерний синтез, який є джерелом енергії для таких зірок, як наше Сонце, є іншим. За допомогою термоядерного синтезу ви змушуєте менші ізотопи разом утворювати більші ізотопи. Зазвичай це передбачає поєднання ізотопів водню — найменшого елемента — для утворення гелію. Ця реакція вивільняє навіть більше енергії, ніж реакція поділу, але, що більш важливо, вона не створює довготривалих радіоактивних побічних продуктів. Ось чому ядерний синтез часто називають «святим Граалем» виробництва енергії.

Отже, в чому проблема? Ці малі ізотопи водню дуже стійкі до синтезу. Потрібен величезний тиск і високі температури (як на сонці), щоб змусити їх злитися. Це дуже відрізняється від ядерного поділу, який відбувається відносно легко. Таким чином, хоча термоядерний синтез можна досягти в ядерній зброї, дослідники витратили десятиліття, намагаючись створити реакцію контрольованого термоядерного синтезу, яку можна було б використовувати для виробництва енергії.

Протягом багатьох років було оголошено про багато «проривів». Минулого місяця було оголошено про те, що вперше вчені отримали від процесу термоядерного синтезу більше енергії, ніж вони мали витратити. Попередні зусилля, спрямовані на досягнення термоядерного синтезу, потребували більше енергії, ніж виробляла реакція термоядерного синтезу.

Отже, це означає значний прорив. Але наскільки ми близькі до розробки комерційних термоядерних реакторів?

Ось аналогія, яку я використав, щоб поставити це в контекст. На шляху до комерційних авіаперевезень було багато віх. У грудні 1903 року брати Райт здійснили перший в історії успішний політ з двигуном. До першого трансатлантичного польоту минуло ще 16 років. Але перший успішний комерційний авіалайнер, Boeing 707, не був представлений до 1958 року.

Завжди жартували, що до комерційного ядерного синтезу залишилося 30 років. Насправді це просто означає, що ми все ще не можемо побачити повний шлях, щоб туди дістатися. Нещодавній прорив, безумовно, є важливою віхою на шляху до комерційного ядерного синтезу. Але до комерційної реалізації ядерного синтезу нам ще може залишитися 30 років.