Термоядерный синтез прямо на столе: почему физики сделали стелларатор из магнитов и нейлона?

 

➤ Термоядерный синтез прямо на столе: почему физики сделали стелларатор из магнитов и нейлона?

О термоядерном синтезе говорят давно — это наш потенциальный билет в будущее, который обещает революцию в энергетике. Правда, для этого нам всё ещё предлагается чуть-чуть подождать, где-то лет так 50. Большинство обсуждений вращается вокруг масштабных проектов вроде того же ITER, стоимостью в миллиарды долларов. Однако мир науки не стоит на месте, и некоторые делают ставку на менее затратные альтернативы.

Взглянем на современный стелларатор, созданный в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL). Его скромное название — Muse — скрывает весьма амбициозную цель: сделать технологию термоядерного синтеза дешевле и доступнее. Может, с таким подходом мы успеем увидеть реальный прорыв, кажется, даже ещё при жизни.

➤ Почему термоядерный синтез так важен?

Ядерный синтез — это, можно сказать, энергетический Святой Грааль человечества. Если бы технологии позволили освоить эту мощь, это решило бы сразу несколько крупных проблем. Например, спрос на электроэнергию в мире продолжает расти, а уж темпы развития впечатляют.

Чтобы понять, почему энергии нужно всё больше, достаточно взглянуть на современный технологический ландшафт. Нейросети и искусственный интеллект требуют безумных мощностей. Например, создание и работа LLM-моделей пожирает столько энергии, что поисковик в будущее должен идти в обнимку с электростанцией. А что уж говорить о майнинге криптовалют или зарядке электромобилей — всё это требует энергии, которая пока добывается далеко не только экологичными методами.

Термоядерный синтез обещает изменить всё: это будет практически бесконечный и к тому же чистый источник энергии. Без ядерных отходов, парниковых газов и с минимальными рисками. Вот только пока что эта технология существует больше в виде восхищенных разговоров, чем реальных станций. Но и на это уже и государства, и компании беззаветно бросают миллиарды.

➤ Как приручить звёздную энергию?

Энергия на атомном уровне добывается двумя главными способами.

Первый — традиционный ядерный дележ, знакомый всем благодаря атомным станциям. Здесь атомные ядра расщепляются, выделяя энергию. Отличный способ, но неизбежно появляются радиоактивные отходы и риски.

Второй подход куда более сложный, но перспективный — ядерный синтез, который копирует процесс, происходящий в недрах звёзд. Здесь лёгкие атомы объединяются в более тяжёлые, и выделяется много энергии. Правда, есть одна загвоздка: заставить атомы слиться не так уж просто, ведь их ядра из-за одинакового заряда активно отталкиваются. Чтобы преодолеть это "упрямство", нужно разогнать частицы до бешеных скоростей, разогрев вещество до... всего-то 100 миллионов градусов.

Топливом для такой реакции может быть смесь дейтерия и трития — специфических изотопов водорода. Они наиболее "сговорчивые", что облегчает само проведение реакции.

Главные плюсы?

• Водорода на Земле хоть отбавляй.

• Пламенные приветы экологам — загрязнений почти нет.

• По эффективности термоядерный синтез бьёт на голову текущие атомные станции.

➤ Как удержать плазму?

Теперь главный вопрос: как же удерживать вещество при таких температурах? Емкость, понятное дело, расплавится моментально. Значит, нужен другой подход. Выход нашли в использовании инерционного и магнитного методов.

Инерционный метод похож на микровзрывную магию. На крошечные мишени воздействуют лазерами, заставляя вещество сжиматься, пока не произойдёт синтез. Да, выглядит эффектно, но пока это остаётся больше демонстрацией технологии, чем решением для промышленного использования.

Магнитный метод работает изящнее. Заряженную плазму держат в воздухе с помощью мощных электромагнитов. В этом направлении сияют две звезды: токамаки и стеллараторы.

Токамаки — это замкнутые устройства в форме бублика. Здесь магнитное поле удерживает раскалённую плазму, закованную в невидимый "пояс". Их плюс в относительной простоте конструкции, а минус — в кратковременности работы и сложности контроля.

Стеллараторы сложнее в плане инженерии, но потенциально эффективнее — их конструкция закручивает плазму, уменьшая потери энергии. Правда, за эту эффективность приходится платить сложностью расчётов и затратами на изготовление. И если токамаки сейчас застолбили себе место в исследованиях, то стеллараторам пришлось ждать до эры мощных компьютеров.

Кстати, в Германии, на стелараторе Wendelstein 7-X уже достигли впечатляющих результатов, удерживая плазму дольше и стабильнее, чем раньше.

➤ Muse: Большой эксперимент в маленьком формате

Создание мощных и дорогих установок занимает десятилетия. Поэтому в Принстоне решились на нестандартное решение: построить компактный и недорогой стелларатор под названием Muse.

Главное преимущество Muse — это бюджет. Вместо миллиардов долларов устройство потребовало всего 640 тысяч. Вся конструкция была собрана всего за три года, что для термоядерной физики практически мгновение.

В этой установке постоянно-магниты из неодима и электромагниты из меди работают в паре, закручивая и направляя плазму. Причём всё это размещено в компактной обёртке, сделанной на 3D-принтере. Проще говоря, группа учёных решила вспомнить науку о минимализме.

И, как оказалось, такой подход сработал. Устройство показало поразительную способность удерживать частицы, что внушает оптимизм для будущих экспериментов.

➤ Что дальше?

После Muse вдохновлённые учёные занялись созданием ещё более перспективных установок. Например, компании, основанные бывшими исследователями PPPL, работают над компактными стеллараторами, которые могли бы питать отдельные здания или лаборатории.

Да, до глобальных решений ещё далеко. Но подход с небольшими "настольными" реакторами кажется удивительно многообещающим.

Так что, может, пока гигантский проект вроде ITER продолжает строиться с той же скоростью, что и многие дороги, компактные стеллараторы станут первым реальным шагом к термоядерной энергии.

И кто знает, возможно, сначала мы будем подогревать ими пиццу, чтобы потом всё-таки включить свет во всём городе.