Ядреният синтез отново е в центъра на новините. Тази седмица Министерството на енергетиката на САЩ обяви това, което нарече „голям научен пробив“ в изследванията на термоядрената енергия: за първи път експеримент за термоядрен синтез е произвел повече енергия, отколкото е използвана за стартиране на реакцията. Това не е първият път, в който чуваме за напредък в областта на термоядрения синтез. Десетилетия наред в заглавията на вестниците се изтъкваха големи и малки пробиви, които обикновено предполагаха, че сме по-близо от всякога до производството на цялата чиста енергия, от която някога ще се нуждаем, чрез ядрен синтез.
The Verge състави това ръководство за енергията от термоядрен синтез с помощта на някои експерти. По-долу сa обобщени мечтите на учените за термоядрен синтез, както и суровите реалности, пред които е изправена технологията, за да се превърне мощността на термоядрения синтез от научна амбиция в търговска реалност.
Какво представлява ядреният синтез?
Ядреният синтез е неуловима енергийна мечта вече повече от век. На теория това звучи доста просто. Звездите, включително нашето Слънце, създават собствена енергия чрез процес, наречен термоядрен синтез, при който атоми се сливат при високи температури и налягане, за да се създаде по-тежък атом. Обикновено става дума за съединяване на водородни атоми, за да се образува хелий. Реакцията освобождава тонове енергия, поради което учените на Земята искат да я възпроизведат по контролиран начин. (Преди това са успели да го направят по неконтролируем начин, нарича се водородна бомба.)
По какво се различава ядреният синтез от ядреното делене?
Ядрените електроцентрали, с които разполагаме днес, произвеждат електроенергия чрез делене, което е нещо като противоположност на ядрения синтез. При деленето се освобождава енергия чрез разделяне на атомите, а не чрез сливането им.
Какви са предимствата на ядрения синтез?
Теоретично, след като хората разберат как да осъществява ядрения синтез по контролиран начин, възможностите ще бъдат безкрайни. Водородът е най-простият и най-разпространеният елемент във Вселената. Можете да го получите например от морската вода. И ако го направите, един галон морска вода може да генерира толкова енергия, колкото 300 галона бензин, според Министерството на енергетиката.
Днешните ядрени реактори имат да чистят голяма бъркотия, благодарение на деленето. Разделянето на тежки атоми оставя радиоактивни отпадъци. Какво да се прави с тези ядрени отпадъци в продължение на милиони години е екологичен кошмар, който САЩ все още не са разгадали.
Термоядреният синтез не се сблъсква с тези проблеми. При термоядрения синтез се създават нови атоми – обикновено хелий, както е в балоните. Той не генерира емисии на парникови газове. Нещо повече, това е потенциално неограничен източник на енергия, който не зависи от метеорологичните условия, което все още е предизвикателство за възобновяемите енергийни източници като слънчевата и вятърната енергия.
Защо все още учените не успяват да го постигнат?
Оказва се, че е много трудно да се пресъздаде звезда в лаборатория. За да се предизвика термоядрен синтез, са необходими огромни количества налягане и топлина. Средата в сърцето на Слънцето по естествен начин осигурява екстремното налягане, необходимо за осъществяване на синтеза. Тук, на Земята, учените не разполагат с такова налягане и трябва да достигнат температури, дори по-високи от тези на Слънцето, за да получат същата реакция. В миналото това е изисквало повече енергия, отколкото учените са успели да генерират чрез термоядрен синтез в лаборатория.
Освен това са необходими извънредно много пари и високоспециализирани технологии. С оглед на всичко това е удивително, че изобщо сме успели да постигнем някакъв научен напредък. Да го реализираме на пазара? Това е друга планина от проблеми, за която ще чуете след малко.
Какъв е този нов „пробив в ядрения синтез“, за който всички говорят?
В понеделник, на 5 декември, в 01:03 ч. изследователите от Националната лаборатория „Лорънс Ливърмор“ постигнаха „запалване на термоядрен синтез“ за първи път на Земята.
Казано по-просто,
„те изстреляха няколко лазера към гранула с гориво и при запалването на термоядрения синтез се освободи повече енергия, отколкото енергията на влезлите лазери“
заяви директорът на Службата за научна и технологична политика на Белия дом Арати Прабхакар на пресконференция, на която бе обявено постижението на 13 декември.
По-конкретно, експериментът даде 3,15 мегаджаула енергия в сравнение с 2,05 мегаджаула, използвани от лазерите за задействане на реакцията на термоядрен синтез. Това е около 1,5 пъти повече енергия. Това е скромно, но въпреки това постигането на нетна печалба на енергия е важно това първо постижение за изследванията на термоядрения синтез.
Как са го направили?
Изследователите са използвали най-голямата и високоенергийна лазерна система в света, наречена National Ignition Facility (NIF). NIF е голяма колкото три футболни игрища и може да изстреля 192 мощни лазерни лъча към една цел. За да се постигне запалване на термоядрен синтез, енергията от тези 192 лазерни лъча притиска горивото в диамантена капсула с размерите на зърно и 100 пъти по-гладка от огледало. Капсулата съдържа изотопи на водорода, някои от които се „сливат“ заедно, за да генерират енергия. Общо около 4 % от това гориво се превръща в енергия.
„Горивната капсула е обвивка с размер на точка ВВ, изработена от диамант, която трябва да бъде възможно най-съвършена“
каза Майкъл Стадерман, ръководител на програмата за изработване на цели в Националната лаборатория „Лорънс Ливърмор“, по време на пресконференцията на 13 декември.
„Както можете да си представите, съвършенството е много трудно и затова все още не сме го постигнали – все още имаме малки дефекти по черупките, по-малки от бактерии.“
Симетрията играе огромна роля за постигането на запалване, когато става въпрос както за мишената, така и за нейното имплодиране. Лазерите трябва да бъдат подредени правилно, а когато става въпрос за мишената, трябва да се поддържа почти перфектна симетрия, докато взривявате мишената с интензивно налягане и топлина. Според експертите това е все едно да компресирате баскетболна топка до размера на грахово зърно, като същевременно запазите перфектната ѝ сферична форма. Ако се отклоните от тази форма, губите твърде много кинетична енергия и няма да получите запалване.
Означава ли това, че сега ще имаме енергия от ядрен синтез?
Нито за миг. Въпреки че лабораторията е постигнала „запалване“, тя е базирала постижението си на ограничено определение за „нетна енергийна печалба“, фокусирано само върху изхода на лазера. Макар че лазерите изстреляха 2,05 мегаджаула енергия към целта си, те изразходваха огромните 300 мегаджаула от мрежата. Като се има предвид това, при този експеримент все още се губи много енергия.
За да се създаде термоядрена електроцентрала, е необходима много, много по-голяма победа от 1,5 нетни енергийни печалби. Вместо това ще ви е необходима печалба от 50 до 100.
И така, накъде ще вървим?
Има много работа за вършене. Изследователите непрекъснато се опитват да изработят още по-прецизни цели, стремейки се към идеално симетричната сфера. Това е изключително трудоемко. Дотолкова, че според теоретичния физик от Чикагския университет Робърт Роснер една мишена за една пелета днес може да струва около 100 000 долара. Преди това Рознер е бил член на външния консултативен комитет на NIF. Според Роснер цената на една пелета трябва да спадне до няколко стотинки, за да може ядреният синтез да се използва на пазара, тъй като един реактор за ядрен синтез може да се нуждае от милион пелети на ден.
А ако искате да постигнете запалване отново с помощта на лазери, ще ви е необходима по-ефективна инсталация, която може да работи много по-бързо. NIF, колкото и да е мощен, се основава на лазерна технология от 80-те години на миналия век. Днес има по-усъвършенствани лазери, но Националното съоръжение за запалване е гигант – изграждането му започна през 1997 г., а беше пуснато в експлоатация едва през 2009 г. Днес NIF може да изстрелва лазера си веднъж на всеки четири до осем часа. Бъдещата електроцентрала за термоядрен синтез би трябвало да стреля 10 пъти в секунда, според физика на плазмата от Националната лаборатория „Лорънс Ливърмор“ Тами Ма.
„Това е едно запалване на капсулата, един път. За да реализирате търговска енергия от термоядрен синтез, трябва да направите много неща; трябва да можете да произвеждате много, много събития на запалване на термоядрен синтез в минута“, заяви на пресконференцията Ким Будил, директор на Националната лаборатория „Лорънс Ливърмор“. „Има много сериозни пречки не само в науката, но и в технологията.“
Има ли други начини за сливане на атоми?
Да, лазерите със сигурност не са единствената стратегия, използвана за предизвикване на запалване. Другата основна стратегия е да се използват магнитни полета за ограничаване на плазменото гориво с помощта на устройство, наречено токамак. Изграждането на токамак може да бъде много по-евтино от това на NIF. Дори частни компании са построили токамаци, така че в тази сфера се провеждат по-широко разпространени изследвания.
Токамакът все още не е достигнал до запалване. Но магнитите, които той използва, имат потенциала да поддържат реакцията на термоядрен синтез за по-дълъг период от време. (В NIF реакциите на термоядрен синтез протичат за част от наносекундата.) В крайна сметка пробивът в двата клона на изследванията може да помогне за приближаване до термоядрената енергия.
Какво всъщност се постига с „запалването“?
„Стигнахме до върха на хълма.“
казва пред The Verge Джанлука Сари, професор по физика в Кралския университет в Белфаст. Той казва, че постигането на запалването е било „най-трудната стъпка“ в изследванията на термоядрената енергия и оттук нататък всичко е „надолу“, въпреки че все още има дълъг път.
Въпреки това постигането на запалване е по-скоро научен пробив, отколкото пробив с практическо приложение за нашата енергийна система – поне не и за още много години.
Що се отнася до ядрената отбрана и неразпространението на ядрени оръжия обаче, постигането на запалване може да има по-непосредствено въздействие.
Какво за ядрените оръжия?
Първоначално NIF беше разработен за провеждане на експерименти, които да помогнат на САЩ да поддържат запасите си от ядрени оръжия, без да се налага да взривяват някое от тях. Договорът за всеобхватна забрана на ядрените опити от 1996 година забрани всички ядрени експлозии на Земята, слагайки край на подземните тестови експлозии. През следващата година започва строителството на NIF. Ядреното запалване, което най-накрая успя да постигне целта си при експеримента си на 5 декември, по същество имитира неконтролируемия синтез, който се извършва при взривяването на ядрена бомба. Надеждата е, че постигането на контролирано запалване в лаборатория ще позволи на изследователите да валидират компютърните модели, които са разработили, за да заменят тестовите експлозии на живо.
Кога ще имаме електроцентрали за ядрен синтез?
Най-оптимистично настроените експерти, с които The Verge разговаря, се надяват, че може би ще имаме първата термоядрена електроцентрала в рамките на едно десетилетие. Но повечето експерти, въпреки че все още се вълнуват от бъдещето на термоядрената енергия, смятат, че вероятно все още сме на няколко десетилетия разстояние от това.
Това ще реши ли проблема с изменението на климата?
Без значение колко време ще отнеме, не можем да си позволим да чакаме десетилетие или повече, за да може енергията от термоядрен синтез да изчисти замърсяването от енергийната ни система. Изследванията показват, че за да не се стигне до глобално затопляне, при което човечеството трудно ще се адаптира, светът трябва да намали емисиите на парникови газове до нула до около 2050 година. До 2030 година емисиите на въглероден диоксид от изкопаеми горива трябва да бъдат намалени приблизително наполовина. Това е много по-бърз напредък в реалния свят, отколкото изследванията на термоядрения синтез някога са били в състояние да постигнат.