Термоядерный синтез: в попытке воссоздать главную звезду нашей Солнечной системы

Сегодня в рубрике «Развиваем науку вместе» рассказываем про термоядерный синтез — реакцию, которая каждую секунду происходит в недрах Солнца и которую человечество уже почти семьдесят лет пытается приручить на Земле.

Каждую секунду в недрах Солнца атомы водорода сливаются в гелий, и крошечная разница в массе улетает в космос в виде энергии — той самой, что через 150 миллионов километров пустоты греет нам лицо в солнечный день. Это и есть термоядерный синтез. И человечество пытается устроить такую же реакцию у себя дома — только управляемую и полезную для наших нужд.

Что вообще происходит?
Внутри атомного ядра протоны и нейтроны держатся вместе благодаря колоссальной энергии связи. Если взять два легких ядра — например, изотопы водорода дейтерий и тритий — и заставить их слиться в одно ядро гелия, получившееся ядро окажется чуть легче, чем сумма исходных. Эта «недостающая» масса превращается в энергию по формуле E=mc². Для одной пары ядер разница ничтожна, но реакций происходят миллиарды миллиардов, поэтому суммарная энергия огромна.

Почему это не то же самое, что атомная станция?
Обычные АЭС работают на делении — расщеплении тяжелых ядер урана на более легкие осколки. Синтез — процесс обратный: слияние легких ядер в более тяжелые. У него есть заманчивые преимущества. Топливо практически неисчерпаемо: дейтерий добывают из обычной морской воды, а тритий можно нарабатывать прямо в реакторе из лития. Реакция не поддерживает себя сама — стоит чуть нарушить условия (температуру, магнитное поле), и она моментально гаснет, без риска расплавления активной зоны. И долгоживущих радиоактивных отходов, характерных для деления, синтез практически не оставляет.

В чем главная сложность?
Чтобы ядра преодолели взаимное электрическое отталкивание и слились, нужна температура в десятки и сотни миллионов градусов. На Солнце этому дополнительно помогает гравитационное сжатие в его ядре — а на Земле такой «пресс» взять неоткуда. Поэтому инженерам приходится нагревать вещество даже сильнее, чем в солнечном ядре, и как-то удерживать этот раскаленный ионизированный газ — плазму, не давая ей коснуться стенок реактора: любое касание мгновенно все охлаждает и разрушает оборудование.

Для удержания плазмы существует два основных подхода:
Магнитное удержание — плазму держит внутри камеры в форме бублика мощное магнитное поле. Эта схема называется токамак и была изобретена в СССР еще в 1950-х годах.
Инерциальное удержание — крошечную топливную мишень на долю секунды сжимают со всех сторон мощнейшие лазеры, как это делают в американской лаборатории NIF и в строящейся российской установке УФЛ-2М в Сарове.

Где мы сейчас?
Прогресс в последние годы заметно ускорился: в 2022 году лаборатория NIF впервые в истории получила в лазерном эксперименте больше энергии, чем было затрачено на нагрев мишени. Но чтобы термоядерную энергию можно было использовать, одного короткого эксперимента мало — нужна установка, которая работает стабильно, долго и в масштабе, приближенном к промышленному.

А что в России?
Россия в этой гонке участвует сразу на двух направлениях. С одной стороны, в Сарове специалисты Российского федерального ядерного центра — ВНИИЭФ (предприятие «Росатома») строят собственную лазерную установку для термоядерного синтеза с инерциальным удержанием плазмы — УФЛ-2М. По задумке разработчиков, она должна подводить к мишени около 4,6 МДж энергии — это примерно вдвое больше, чем у американского NIF, что может сделать УФЛ-2М самой мощной лазерной установкой в мире. Ключевые узлы, включая огромную камеру взаимодействия и первый лазерный модуль, уже собраны и испытаны, а выход установки на полную проектную мощность ожидается к 2028–2029 годам.

С другой стороны, Россия с самого начала один из семи участников проекта ITER, самого большого термоядерного реактора в истории, который строят на юге Франции силами уже 35 стран. О том, что это за проект, как он устроен — читайте в следующем посте.