Прорив в ядерному синтезу, який може стати кроком до необмеженої чистої енергії в далекому майбутньому

Минулого місяця найближча до Землі зірка опинилася в Каліфорнії. У лабораторії вперше найбільші у світі лазери змусили атоми водню злитися воєдино в такій же реакції, яка виробляє енергію, що й Сонце.

Це тривало менше мільярдної частки секунди. Але після шістдесяти років праці і невдач Ліверморська національна лабораторія імені Лоуренса довела, що це можливо. Якщо термоядерний синтез одного дня стане комерційною енергією, він буде нескінченним і безвуглецевим. Іншими словами, він змінить людську долю. Як ви побачите, до цього ще далеко. Але після грудневого прориву нас запросили оглянути лабораторію і зустрітися з командою, яка принесла зоряну енергію на Землю.

Неконтрольований термоядерний синтез - це легко - освоєно так давно, що фільми чорно-білі. Термоядерний синтез - це те, що робить воднева бомба, вивільняючи енергію, змушуючи атоми водню зливатись разом. Що було неможливим, так це використати вогонь Армагеддону для чогось корисного.

Ліверморська національна лабораторія імені Лоуренса Лівермора Міністерства енергетики США допомагає підтримувати ядерну зброю і експериментує з фізикою високих енергій. За годину на схід від Сан-Франциско ми зустрілися з директором Ліверморської лабораторії Кімом Буділом в лабораторії, яка увійшла в історію, - Національній запальній установці ( The National Ignition Facility - англ. ).

Кім Буділ: Національна установка запалювання - це найбільший і найенергійніший лазер у світі. Її будували, починаючи з 1990-х років, щоб створити в лабораторії умови, які раніше були доступні лише в найбільш екстремальних об'єктах у Всесвіті, таких як центр гігантських планет, або Сонце, або в діючій ядерній зброї. І мета полягала в тому, щоб дійсно мати можливість дуже детально вивчати такі дуже високоенергетичні, високогустинні умови.

Національна установка для запалювання, або NIF, була побудована за 3,5 мільярда доларів, щоб запалити самопідтримуючий термоядерний синтез. За 13 років це намагалися зробити майже 200 разів. Але як автомобіль зі слабким акумулятором, атомний "двигун" ніколи не заводився.

Скотт Пеллі: NIF "заробив" кілька нікнеймів.

Кім Буділ: Так. Протягом багатьох років "Не запалювальна установка", "Ніколи не запалювальна установка". Зовсім недавно - "Майже запалювальний об'єкт". Отже, ця нещодавня подія дійсно призвела до того, що в NIF з'явився "запал".
Підпалювання означає запалювання реакції термоядерного синтезу, в результаті якої виділяється більше енергії, ніж вкладають лазери.

Кім Буділ: Отже, якщо ви можете зробити його достатньо гарячим, достатньо щільним, достатньо швидким і утримувати його разом достатньо довго, реакція термоядерного синтезу починає самопідтримуватись. І це дійсно те, що сталося тут 5 грудня.

Минулого місяця лазерний постріл, зроблений з цієї диспетчерської, вклав в експеримент дві одиниці енергії, атоми почали зливатися, і назовні вийшло близько трьох одиниць енергії. Таммі Ма, яка очолює дослідницькі ініціативи лабораторії з лазерного синтезу, отримала дзвінок, коли чекала на літак.

Таммі Ма: І я розплакалася. Це були просто сльози радості. І я фактично фізично почала тремтіти і стрибати вгору і вниз, знаєте, біля воріт перед тим, як всі сіли на борт літака. Всі говорили: "Що робить ця божевільна жінка?"

Таммі Ма божеволіє від інженерії.

Вона показала нам, чому проблема термоядерного синтезу може довести будь-кого до сліз. По-перше, необхідна енергія, яка доставляється лазерами в цих трубках, що довші за футбольне поле.

Скотт Пеллі: І скільки їх загалом?

Таммі Ма: Всього 192 лазера.

Скотт Пеллі: Кожен з цих лазерів є одним з найпотужніших у світі, а у вас їх 192.

Теммі Ма: Це досить круто, чи не так?

Ну, насправді досить гаряче, мільйони градусів, саме тому вони використовують ключі, щоб замикати лазери.

Промені вражають з потужністю в 1000 разів більшою, ніж вся національна електромережа. У вас вдома не вимикається світло, коли вони стріляють, тому що конденсатори зберігають електроенергію. У трубках лазерні промені посилюються, бігаючи туди-сюди, і спалах триває долі секунди.

Теммі Ма: Ми повинні потрапити в ці неймовірні умови; гарячіші, щільніші, ніж центр Сонця, і тому нам потрібна вся ця лазерна енергія, щоб потрапити в ці дуже високі густини енергії.

Весь цей удар випаровує ціль, майже занадто малу, щоб її можна було побачити.

Скотт Пеллі: Можна мені потримати цю штуку?

Майкл Стадерманн: Звичайно.

Скотт Пеллі: Неймовірно. Абсолютно дивовижно.

Команда Майкла Стадерманна виготовляє пустотілі снаряди, які заряджаються воднем за температури 430 градусів нижче нуля.

Майкл Штадерманн: Точність, яка нам потрібна для виготовлення цих снарядів, є надзвичайною. Снаряди майже ідеально круглі. Вони мають шорсткість, яка в сто разів краща за дзеркало.

Якби вона не була гладенькою, як дзеркало, недосконалості зробили б вибух атомів нерівномірним, викликаючи шипіння термоядерного синтезу.

Скотт Пеллі: Отже, вони мають бути якомога ближчими до досконалості, наскільки це можливо для людини.

Майкл Стадерманн: Саме так. Саме так, і ми вважаємо, що вони є одними з найдосконаліших об'єктів, які ми маємо на Землі.

Лабораторія Стадерманна прагне досконалості, випаровуючи вуглець і формуючи оболонку з алмазу. Вони виготовляють 1,500 виробів на рік, щоб 150 з них були майже ідеальними.

Міхаель Штадерманн: Всі компоненти збираються разом під самим мікроскопом. А потім складальник використовує електромеханічні стадії, щоб поставити деталі туди, куди вони повинні йти - зсунути їх разом, а потім ми наносимо клей за допомогою волосинки.

Скотт Пеллі: Волосся?

Майкл Штадерманн: Так. Зазвичай це щось на зразок вії або схоже на неї, або котячий вус.

Скотт Пеллі: Ви наносите клей котячим вусом?

Майкл Стадерманн: Саме так.

Скотт Пеллі: Чому він має бути таким маленьким?

Майкл Штадерманн: Лазер дає нам лише обмежену кількість енергії, і для того, щоб керувати більшою капсулою, нам знадобиться більше енергії. Тож це є обмеженням дуже великого об'єкту, який ви бачили. І незважаючи на її великі розміри, це те, що ми можемо за допомогою неї запустити.

Скотт Пеллі: Ціль може бути більшою, але тоді і лазер має бути більшим.

Міхаель Штадерманн: Саме так.

5 грудня вони використовували товстішу мішень, щоб вона довше тримала форму, і з'ясували, як збільшити потужність лазерного пострілу, не пошкодивши при цьому лазери.

Таммі Ма: Отже, це приклад мішені перед пострілом...

Таммі Ма показала нам неушкоджену мішень в зборі. Діамантова оболонка, яку ви бачили, знаходиться всередині циліндра сріблястого кольору.

Ця збірка потрапляє в синю вакуумну камеру, заввишки з триповерховий будинок. Її важко розгледіти, бо вона усіяна лазерами та приладами.

Цей прилад вони називають "Данте", тому що, як нам сказали, він вимірює пекельний вогонь. Один фізик сказав: "Бачили б ви мішень, яку ми підірвали 5 грудня".

Що змусило нас запитати: "А ми могли б?".

Для Теммі Ма і для усього світу це перший погляд на те, що залишилось від мішені, яка змінила історію - артефакт, подібний до першого телефону Белла або лампочки Едісона.

Скотт Пеллі: Ця річ потрапить до Смітсонівського музею.

Циліндр мішені був висаджений у повітря, мідна опора, яка його утримувала, була відшарована назад.

Скотт Пеллі: Вибух на кінці цього був гарячіший за сонце.

Таммі Ма: Він був гарячішим за центр сонця. Ми змогли досягти температури, яка була найгарячішою у всій Сонячній системі.

Що призведе до астрономічних змін в електроенергетиці. На відміну від сьогоднішніх атомних станцій, які розщеплюють атоми, термоядерний синтез у багато разів потужніший, з невеликим довготривалим випромінюванням. І його легко вимкнути, тож жодних розплавів. Але дістатися від першого запалювання до електростанції буде важко.

Скотт Пеллі: Скільки пострілів ви робите за день?

Таммі Ма: В середньому ми робимо трохи більше одного пострілу на день.

Скотт Пеллі: Якби це була теоретично комерційна електростанція, скільки пострілів на день було б потрібно?

Таммі Ма: Приблизно десять пострілів за секунду. І ще одним великим викликом, звичайно, є не лише збільшення частоти повторення пострілів, а й посилення ураження мішеней приблизно до 100 разів.

Мало того, що реакції мали б виробляти в 100 разів більше енергії, так ще й електростанція потребувала б 900 000 ідеальних алмазних оболонок на день. Крім того, лазери мали б бути набагато ефективнішими. Пам'ятаєте, грудневий прорив вклав дві одиниці енергії, а отримав три? Так от, для запуску лазерів знадобилося 300 одиниць енергії. За цими стандартами, це було 300 одиниць енергії на вході і три на виході. Ця деталь не була в центрі уваги на грудневій прес-конференції Міністерства енергетики, яка об'єднала прорив з малоймовірними термінами.

Міністр енергетики Дженніфер Гранхолм на прес-конференції Міністерства енергетики: Сьогоднішнє оголошення є величезним кроком вперед до мети президента - досягти комерційного термоядерного синтезу протягом десятиліття.

Скотт Пеллі: Коли ви почули, що метою президента Байдена є комерційне виробництво термоядерного синтезу протягом десятиліття, що ви подумали?

Чарльз Сейф: Я подумав, що це нісенітниця.

Чарльз Сейф - дипломований математик, науковий автор і професор Нью-Йоркського університету, який написав у 2008 році книгу про розкручування термоядерної енергетики.

Чарльз Сейф: Я не хочу применшувати той факт, що це справжнє досягнення. Запалювання - це віха, до якої люди прагнули протягом багатьох років. Я боюся, що існує так багато технічних перешкод, навіть після цього великого досягнення, що десять років - це нездійсненна мрія.

Ці перешкоди, за словами Сейфа, включають розширення масштабів досягнення Лівермора. Грудневий постріл згенерував приблизно достатньо надлишкової енергії, щоб закип'ятити дві каструлі кави. Перешкоди можуть бути подолані, каже Сейф, але не скоро.

Чарльз Сейф: Я б'юся об заклад, що до 2050 року ми цього не зробимо.

Проте проти пророцтва Чарльза Сейфа ставлять понад 30 приватних компаній, які розробляють різні підходи до термоядерної енергетики - в тому числі з використанням магнітів, а не лазерів. За останні 13 місяців в ці компанії було вкладено 3 мільярди доларів приватних коштів, включаючи ставки Білла Гейтса і Google. Серед усіх цих спекуляцій директор Ліверморської лабораторії Лоуренса Кім Буділ впевнений в одному.

Скотт Пеллі: Ви можете це повторити?

Кім Буділ: Безумовно.

Вони збираються повторити спробу наступного місяця. Буділ погоджується, що перешкоди величезні. Але вона сказала нам, що комерційна потужність термоядерного синтезу може бути продемонстрована через 20 років або близько того, при достатньому фінансуванні і відданості справі. Ми порівняли перше запалювання з першим польотом братів Райт, які пролетіли лише 120 футів.

Кім Буділ: Одна справа - вірити, що це можливо, що це наука, що умови можуть бути створені, інша справа - бачити це в дії. І це дійсно дивовижне відчуття після 60 років роботи, щоб досягти цього моменту і здійснити перший політ.

Від стрибка з калюжі до надзвукового польоту пройшло 44 роки. Незалежно від того, чи буде термоядерна енергія через 10 чи 50 років, зараз це в основному інженерна проблема. Лоренс Лівермор довів, що з машини народжується зірка.

/за матеріалами cbsnews/