Каково будущее термоядерной энергетики?

May 30, 2023

Ядерный синтез не появится вовремя, чтобы исправить изменение климата, но он может иметь решающее значение для наших будущих энергетических потребностей.

В декабре прошлого года физики, работающие над термоядерным синтезом, заявили о прорыве. Команда Национального центра зажигания (NIF) в Калифорнии объявила, что в результате контролируемой реакции ядерного синтеза было извлечено больше энергии, чем было использовано для ее запуска. Это был первый глобальный и значительный шаг для физики, но очень далекий от возможности практического использования термоядерного синтеза в качестве источника энергии. Громкое заявление вызвало знакомую реакцию на исследования в области термоядерного синтеза: одобрение со стороны сторонников технологии и увольнение со стороны скептиков, которые жалуются, что ученые постоянно обещают, что до термоядерного синтеза осталось всего 20 лет (или 30, или 50, на ваш выбор).

Эта пылкая реакция отражает высокие ставки в процессе слияния. Мир все больше отчаянно нуждается в богатом источнике чистой энергии, который мог бы смягчить климатический кризис, вызванный сжиганием ископаемого топлива. Ядерный синтез – слияние легких атомных ядер – потенциально может производить энергию с почти нулевыми выбросами углерода, не создавая при этом опасных радиоактивных отходов, связанных с сегодняшними реакторами ядерного деления, которые расщепляют очень тяжелые ядра радиоактивных элементов. Физики изучают термоядерную энергию с 1950-х годов, но превратить ее в практический источник энергии остается, к сожалению, неуловимой задачей. Станет ли он когда-нибудь важным источником энергии для нашей жаждущей энергии планеты, и если да, то прибудет ли он вовремя, чтобы спасти Землю от катастрофы?

Последний вопрос — один из немногих в этой области, на который имеется четкий ответ. Большинство экспертов сходятся во мнении, что мы вряд ли сможем генерировать крупномасштабную энергию за счет ядерного синтеза раньше примерно 2050 года (осторожные эксперты могут добавить, что еще десять лет). Учитывая, что глобальное повышение температуры в текущем столетии может во многом определяться тем, что мы будем делать (или не будем делать) в отношении выбросов углекислого газа до этого времени, термоядерный синтез не может стать спасителем. (Колумнист обсерватории Наоми Орескес также подчеркивает здесь эту точку зрения.) «Я действительно думаю, что термоядерный синтез выглядит сейчас гораздо более правдоподобно, чем 10 лет назад, в качестве будущего источника энергии», — говорит Омар Харрикейн, руководитель программы в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, где находится НИФ. «Но это не будет жизнеспособным в ближайшие 10–20 лет, поэтому нам нужны другие решения».

Таким образом, декарбонизация к середине столетия будет зависеть от других технологий: возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия; ядерное деление; и, возможно, методы улавливания углерода. Однако если заглянуть в будущее, есть веские основания полагать, что термоядерный синтез станет ключевой частью энергетической экономики во второй половине века, когда все больше развивающихся стран начнут требовать энергетические бюджеты западного размера. И решение проблемы изменения климата – это не разовое дело. Если мы сможем преодолеть узкие места следующих нескольких десятилетий, не меняя климат слишком радикально, путь дальше может быть более гладким.

Ядерный синтез был признан потенциальным источником энергии почти сразу же, как и деление. На итоговом совещании по Манхэттенскому проекту в конце 1945 года итальянский физик Энрико Ферми, который руководил проектом строительства первого реактора деления в Чикаго во время Второй мировой войны, представил идею термоядерных реакторов для производства электроэнергии. Несколько лет спустя ученые выяснили, как высвободить термоядерную энергию, но только в виде неконтролируемых взрывов водородных бомб, подобных Армагеддону. Как предсказывают некоторые ученые, как только мы научимся проводить этот процесс контролируемым и устойчивым образом, электричество станет «слишком дешевым, чтобы его можно было измерять».

Но проблемы оказались намного серьезнее, чем ожидалось. «Это очень сложно», — говорит Харрикейн. «По сути, мы создаем звезды на Земле». Слияние двух атомов водорода с образованием гелия — основной процесс, который питает Солнце и другие звезды. Когда такие легкие атомные ядра объединяются, они выделяют огромное количество энергии. Но поскольку эти ядра имеют положительные электрические заряды, они отталкивают друг друга, и требуются огромные давления и температуры, чтобы преодолеть этот электростатический барьер и заставить их слиться. Если ученым удастся собрать топливо для термоядерного синтеза — плазменную смесь дейтерия и трития, двух тяжелых изотопов водорода, — энергия, выделяющаяся в реакции, может сделать ее самоподдерживающейся. Но как упаковать плазму с температурой около 100 миллионов Кельвинов, что в несколько раз выше, чем в центре Солнца?