5 декабря человечество впервые достигло положительного энергетического баланса с помощью управляемого ядерного синтеза. Этот прорыв сравнивают с подвигом Прометея и вселяют надежду на то, что в течение десятилетия мы, возможно, сможем использовать термоядерную энергию маленьких солнц, используя воду в качестве топлива. Николай Калачевский, член-корреспондент Российской академии наук и директор Института ФИАН, делится своим мнением об этом достижении.

Николай Колачевский рассказывает об истории лазерного инерционного термоядерного синтеза и о том, как на его разработку ушло почти 60 лет. Идея была впервые сформулирована советскими учеными Басовым и Крошем в 1950-х годах, но только недавно положительный энергетический баланс был достигнут с помощью управляемого термоядерного синтеза. Ночная установка Ливермора - одна из пяти крупномасштабных лазерных установок, разработанных с течением времени для достижения этой цели.

Ядерный синтез - это процесс объединения атомных ядер с образованием более тяжелых элементов, при котором выделяется большое количество энергии. Это похоже на процессы, которые происходят в звездах, и может быть достигнуто путем нагревания изотопов водорода до тех пор, пока они не сольются в гелий, выделяя положительную энергию.

Реакция ядерного синтеза мгновенно высвобождает огромное количество энергии, что делает ее очень мощной и неконтролируемой. Для достижения этой реакции требуются сложные конструкции и установки с фабриками гигантских размеров, которые могут воссоздать процесс звездообразования путем нагрева двух легких частиц в качестве магнитов.

Управляемый термоядерный синтез - это процесс, требующий экстремальных условий, таких как высокое давление и температура. Контролируемые лазером эксперименты по получению этой энергии длятся всего пикосекунды, что делает их труднодостижимыми. Ливерморская лаборатория фокусируется на исследовании природных явлений, таких как звездообразование, а не на мирном производстве энергии.

Прорыв в Ливерморе Прорывом в Ливерморе стало достижение воспламенения, которое потребовало двух энергий, полученных в результате реакции 3, и было в полтора раза больше, чем считалось ранее. Точка невозврата, или "точка безубыточности", была преодолена впервые в истории.

Стоящие перед нами проблемы Основная проблема, с которой приходится сталкиваться при сжатии, - это симметрия, поскольку трудно достичь идеального сферического сжатия из-за естественных дисбалансов, которые приводят к снижению плотности. Чтобы решить эту проблему, американцы преобразовали лазерное излучение в ультрафиолетовое, прежде чем фокусироваться на целях с помощью рентгеновских лучей. Этот процесс занял больше времени из-за различий между бумажными расчетами и экспериментами; однако, благодаря увеличению мощности лазера за последнее десятилетие (192 луча) был достигнут прогресс в достижении энергетического баланса за счет микротермоядерных взрывов.

Звездная энергия является важным тестовым объектом для исследований в других странах и Китае. Ключевыми преимуществами этого вида энергии являются ее неисчерпаемость, чистая природа и способность преобразовывать материю в энергию без загрязнения окружающей среды. Однако по-прежнему существуют проблемы, связанные с экономически эффективной технологией создания реакторов, способных эффективно использовать энергию звезд.

Создание неограниченного количества бесплатной энергетической инфраструктуры. Нехватка почти бесплатной энергии всегда была главным препятствием на пути развития цивилизации, но если мы завоюем эту технологию, человечество впервые в истории будет иметь неограниченное количество почти бесплатной энергии. Однако до достижения этой цели все еще существуют проблемы, такие как создание необходимых материалов и инфраструктуры, таких как литиевые батареи для хранения электроэнергии или мини-ядерные реакторы для транспортных средств, которые необходимо решить.

Самая насущная проблема на Земле может быть решена, если будет обнаружен почти бесконечный источник энергии, который мог бы снизить нагрузку на гидроэлектростанции и усовершенствовать технологию ядерного синтеза. Однако при внедрении этих решений важно учитывать экологические и социологические факторы.

Развитие атомной энергетики продвигается медленно, но верно, и в России уже разработаны реакторы замкнутого цикла, которые отличаются высокой эффективностью производства энергии. Хотя для широкого использования этой технологии может потребоваться около 50 лет, потенциальные выгоды могут значительно стимулировать прогресс человечества, предоставляя неограниченные возможности использования топлива.

Токамак - это тип термоядерного реактора, который использует сильные магнитные поля для удержания плазмы в тороидальной форме, где ядра сталкиваются и сливаются вместе, высвобождая энергию. Он был изобретен Андреем Дмитриевичем Сахаровым и имеет преимущества перед другими типами реакторов, такими как стеллараторы, благодаря своей способности поддерживать реакцию в течение более длительных периодов времени.

Стелларатор - это тип термоядерного реактора, который использует внешние магнитные поля для придания плазме закручивающейся спиральной формы. Он был разработан как альтернатива конструкции Токамака и был оптимизирован с использованием суперкомпьютеров для обеспечения стабильности и эффективности. Немецкий стелларатор Wendelstein 7-X является одним из примеров использования этой технологии для потенциального производства энергии.

В последние годы развитие лазерных технологий стремительно развивается, и главными конкурентами России в этой гонке были стиллератор и лазерный реактор. Рассказчик, сам являющийся специалистом по лазерам, объясняет, что работа, лежащая в основе этих технологий, довольно сложна, но наблюдать за ней интересно. Целевая часть системы относительно проста - она состоит из небольшой пластиковой или алмазной гранулы, помещенной внутри золотой капсулы, которая затем симметрично фокусируется лазерами на ее поверхности для протекания термоядерных реакций.

Основная идея текста заключается в том, что удержание плазмы необходимо для ядерного синтеза, и это общая проблема всех технологий. Автор объясняет, что для достижения этого плазму необходимо нагревать и сжимать в течение определенного промежутка времени, не распадаясь на части из-за турбулентности или других факторов.

Николай выразил чувство причастности к научной победе в Ливерморе, поскольку он был директором института, где формулировались и развивались идеи в области лазерных технологий. Разработка лазерных устройств включала сложные расчеты и взаимодействие между излучением, системами охлаждения и механизмами фокусировки для повышения точности поражения целей.

Главный вопрос заключается в том, как сделать этот одноразовый успешный эксперимент доступным в качестве технологии. Чтобы достичь этого, лазер нуждается в значительном улучшении с точки зрения эффективности и выходной мощности, а также оптимизации материалов мишени и поиске способов эффективного преобразования энергии без повреждения оборудования. Кроме того, должен быть какой-то способ окружения реактора охлаждающей жидкостью или теплопередающим материалом, чтобы он мог работать непрерывно, подобно конвейерной ленте.

Проект ITER является крупным международным проектом по разработке технологии ядерного синтеза с целью производства чистой и устойчивой энергии. Основная проблема заключается в контроле плазмы, которая будет использоваться в качестве топлива, что требует передовых методов магнитного удержания. Несмотря на некоторый скептицизм американских ученых по поводу его осуществимости, среди исследователей наблюдается большой энтузиазм по поводу этого амбициозного научного начинания.

Россия продолжает участвовать в международном исследовательском проекте по ядерному синтезу ITER. Проект сопряжен с техническими трудностями и задержками, но совместная работа с другими странами продолжается. Существуют также вопросы, касающиеся авторства публикаций, связанных с проектом.

План запуска проекта ИТЭР был первоначально предложен во времена Горбачева с намеченной датой - 2030 годом. Однако могут возникнуть задержки из-за продолжающихся исследований и соображений безопасности, связанных с ядерными реакциями. Характеристики плазмы в этой установке могут дать представление о ее потенциальном использовании для производства энергии с помощью реакций ядерного синтеза.

Разработка экспериментальных установок, таких как лазерная система или реактор, которые действительно могут генерировать энергию, требует значительных инвестиций и десятилетий исследований. По всему миру разрабатывается множество различных идей для достижения положительного энергетического баланса, включая использование плазмы в тороидальных структурах, таких как сардины. Однако эти проекты очень дороги и требуют больших первоначальных инвестиций.

Научные прорывы необходимы для технологического прогресса, и лазерная промышленность является ярким примером непрерывного роста за счет оптимизации и инноваций. Однако значительный прогресс требует значительных инвестиций в исследования и разработки.

В будущем возможно сделать ядерный синтез более мощным, но есть опасения по поводу получения трития для реакций, поскольку это требует больших денег и ограниченных запасов лития. Использование дейтерия и трития в реакциях также может привести к образованию радиоактивных отходов, которые представляют опасность. Однако ученые продолжают проводить эксперименты с альтернативными веществами для термоядерных реакций, такими как вода 3 или другие материалы, требующие более высокой плотности энергии и лазерных технологий.

Идея гибридных реакторов, сочетающих ядерные и термоядерные реакции с замкнутым топливным циклом, обсуждается среди коллег из Росатома. Потенциал управляемых термоядерных реакций с использованием ядерного топлива изучался в прошлом, но остается в основном теоретическим.

Проблема ядерных отходов является серьезной проблемой для всего мира, поскольку в настоящее время не существует эффективных методов их утилизации. В то время как некоторые страны, такие как Россия, смогли безопасно хранить свои отходы, другие испытывают трудности с поиском решений. Несмотря на эту проблему, технический прогресс может дать надежду будущим поколениям.