В стремлении к чистой, практически безграничной и экологически безопасной энергии был сделан новый прогресс благодаря значительному научному прорыву: китайский реактор EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) обновил мировой рекорд, удерживая сверхгорячую плазму в течение 1066 секунд, что составляет почти восемнадцать минут. Это достижение, достигнутое благодаря существенным техническим улучшениям, позволило Китаю занять лидирующие позиции в исследованиях ядерного синтеза, который нередко называют Святым Граалем чистой энергии. Что же представляет собой это достижение и почему оно имеет такое значение?
Что такое ядерный синтез?
Ядерный синтез — это процесс, который протекает в недрах звезд, в том числе и в нашем Солнце. Он заключается в соединении двух легких ядер, например, атомов водорода, с образованием более тяжелого ядра, такого как гелий. В результате такого слияния часть массы исходных ядер превращается в колоссальный объем энергии, излучаемой в виде света и тепла.
Явление описывается уравнением Эйнштейна E=mc², которое утверждает, что масса (m) объекта может быть преобразована в энергию (E) и наоборот. При ядерном синтезе, когда два легких атома объединяются, формируя более тяжелый, масса нового атома оказывается чуть меньше общей массы исходных атомов. Эта незначительная разница в массе затем преобразуется в значительное количество энергии, проявляющееся в виде тепла и света.
Небольшое уменьшение массы приводит к выделению значительного количества энергии благодаря уравнению Эйнштейна. Преобразование массы в энергию напрямую связано с квадратом скорости света (c²), что представляет собой очень большую величину (около 300 000 километров в секунду). Следовательно, даже незначительное изменение массы, будучи умноженным на такое большое число, как c², приводит к высвобождению огромного количества энергии².
Колоссальный вызов
Ядерный синтез – это природный процесс, в ходе которого высвобождается огромное количество энергии за счет слияния легких атомов в более тяжелые. Воссоздание этого явления на Земле в условиях управляемого термоядерного реактора может обеспечить получение чистого и практически неограниченного источника энергии, поскольку для этого требуется доступное и экологически безопасное сырье, например водород.
Воссоздание условий, необходимых для осуществления ядерного синтеза, является сложной задачей. На Солнце колоссальная гравитация обеспечивает высокое давление, позволяющее ядрам водорода сливаться. На Земле же для этого требуется искусственное создание подобного давления. Это влечет за собой необходимость достижения температур, зачастую превышающих 100 миллионов градусов Цельсия, чтобы преодолеть электростатическое отталкивание между ядрами атомов, имеющих положительный заряд.
Значительные трудности возникают при управлении плазмой — состоянием вещества, которое формируется из ионов и свободных электронов. При высоких температурах материя переходит в плазменное состояние, однако ее контроль затруднен, так как она способна отрываться от стенок реактора и непредсказуемо взаимодействовать с окружающей средой. Предотвратить охлаждение плазмы и ее контакт со стенками реактора требует ее удержания в ограниченном объеме. Для этого используются мощные магнитные поля. В настоящее время для достижения этой цели рассматриваются два основных подхода: магнитное удержание, как в реакторах токамак, и лазерный термоядерный синтез, в котором высокоэнергетические импульсы применяются для сжатия плазмы.
Использование материалов для изготовления реакторов требует устойчивости к воздействию высоких температур и радиации, что значительно усложняет процесс.
Рекорд реактора EAST
Несмотря на возникающие препятствия, ученые не прекращают работу над наукой о термоядерном синтезе, надеясь, что в будущем этот экологически чистый и практически неограниченный источник энергии станет доступен на нашей планете. Реактор EAST, созданный в китайском городе Хэфэй, предназначен для расширения возможностей исследований в области ядерного синтеза. В январе 2025 года он показал выдающийся результат: плазма была стабильно удержана в замкнутом контуре на протяжении 1066 секунд, что составляет приблизительно восемнадцать минут. Этот показатель значительно превосходит предыдущий рекорд, равный 403 секунды, который был установлен несколько лет назад.
Достигнутый успех обусловлен рядом технических улучшений, реализованных в реакторе. В частности, мощность системы нагрева была увеличена вдвое, что позволило достичь экстремально высоких температур при сохранении стабильности плазмы.
Впереди еще долгий путь
Достижение EAST стало значительным этапом, однако для того чтобы ядерный синтез стал реальным источником энергии, потребуется решить множество задач. Основная сложность заключается в том, что реакторы, подобные EAST и ITER, несмотря на способность создавать стабильную плазму, на текущем этапе потребляют значительно больше энергии, чем производят.
Строительство проекта ИТЭР, реализуемого на юге Франции, также имеет ключевое значение для этих исследований. Этот экспериментальный реактор, объединяющий усилия десятков стран, в том числе Китая, США и Японии, предназначен для подтверждения возможности устойчивого ядерного синтеза. Запуск ИТЭР намечен на 2039 год, и на данном этапе он не будет генерировать электроэнергию, однако полученные в ходе его работы данные будут иметь важное значение для создания коммерческих термоядерных электростанций.
Хотя мир ищет способы удовлетворить растущую потребность в энергии, одновременно снижая выбросы углекислого газа, достижения, подобные EAST, вселяют оптимизм. Достижение термоядерной энергии, доступной для всех, потребует значительных усилий, однако каждое, даже самое незначительное, продвижение приближает нас к более экологичному и стабильному будущему.