Поиск Святого Грааля энергетики
Итак, давайте взглянем на это с точки зрения масштаба. Термоядерная энергия — это, по сути, Святой Грааль чистой энергии. Именно она питает Солнце; она не производит углеродных выбросов, создает минимум радиоактивных отходов и использует топливо, которое практически неисчерпаемо (водород, который можно получить из воды). Если бы мы смогли обуздать термоядерный синтез на Земле, мы бы получили практически безграничный чистый источник энергии, способный обеспечивать цивилизацию на протяжении тысячелетий.
Так почему же у нас до сих пор нет термоядерных электростанций? Потому что, друзья мои, это невероятно сложно реализовать.
Более 70 лет ученые работают над так называемым критерием Лоусона — математическим правилом, которое определяет, сможет ли плазма (сверхгорячее состояние вещества, в котором происходит синтез) оставаться достаточно горячей и плотной в течение достаточного времени, чтобы поддерживать термоядерные реакции без необходимости постоянного внешнего нагрева. Представьте, что вы пытаетесь поддерживать костер в невероятно суровых условиях. Цель состоит в том, чтобы разжечь огонь настолько сильно, чтобы он начал питать сам себя.
Но вот в чем загвоздка: этот критерий говорит ученым, какие условия им необходимы, но не говорит, как достичь их наиболее эффективным способом.
Аналогия с горой, которая действительно помогает
А вот здесь начинается самое интересное. Ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы — которые, на мой взгляд, заслуживают гораздо большего внимания, чем получают — решили подойти к этой проблеме иначе.
Представьте, что путь к термоядерному зажиганию — это горный хребет. Пункт назначения (устойчивый синтез) находится на другой стороне. Традиционный подход заключался в том, чтобы пытаться взобраться прямо через самую высокую вершину: сначала сделать плазму сверхплотной, а затем закачивать в нее огромное количество тепла, пока не произойдет зажигание.
Но эти исследователи сказали: «А что, если есть горный перевал? Способ обойти гору?»
Их новые расчеты показывают, что он определенно существует. Вместо того чтобы сначала увеличивать плотность, что если мы будем нагревать плазму до того, как сожмем ее? Это похоже на выбор пути через горный перевал вместо восхождения на вершину. Вы все равно достигаете того же пункта назначения, но тратите на это гораздо меньше энергии.
Доктор Луис Дельгадо-Апарисио выразился очень красиво: «Многие компании хотят штурмовать гору в лоб, тратя на это колоссальную энергию. Вместо этого пройдите в обход вершины. Вы достигнете того же места гораздо более умным способом и потратите гораздо меньше энергии».
Что это за «седловина Корди» такая?
Теперь я должен об этом рассказать, потому что это действительно круто. Исследователи обнаружили в своем математическом ландшафте нечто, называемое «седловиной Корди».
В географии седловина — это низкое место между двумя горными пиками, по сути, естественный проход через горы. В физике термоядерного синтеза седловина Корди представляет собой наиболее эффективный путь через границу между плазмой, требующей внешнего нагрева, и плазмой, способной поддерживать себя за счет синтеза.
Вот удобный способ это представить: ученые измеряют эффективность синтеза с помощью показателя, называемого «Q». Значение Q = 5 означает, что термоядерные реакции производят в пять раз больше энергии, чем вы в них вкладываете. В идеализированной системе седловина Корди находится в районе Q = 5 — это звучит внушительно, но на самом деле это легкий путь. Проблема в том, что в реальных термоядерных системах есть осложнения (примеси, интенсивные магнитные поля), которые смещают положение этой седловины.
Понимание того, где на самом деле находится эта седловина для конкретной конструкции реактора, имеет решающее значение для понимания того, осуществима ли вся затея в принципе.
Почему это важно для будущего
Это исследование может иметь колоссальное значение для проектирования будущих термоядерных реакторов, особенно токамаков и стеллараторов — устройств в форме пончика, которые используют мощные магнитные поля для удержания плазмы при температурах выше, чем в ядре Солнца.
Вот что меня воодушевляет: мы живем в поистине удивительное время для исследований в области термоядерного синтеза. Между этим открытием в Принстоне, историческим прорывом Национального комплекса зажигания (NIF) в области лазерного синтеза и миллиардами, вливаемых в частные термоядерные компании, мы ближе к практической термоядерной энергетике, чем когда-либо прежде.
Спасет ли термоядерный синтез нас от изменения климата завтра? Нет. Это все еще сложные, дорогие технологии, до внедрения которых еще годы. Но такие открытия, как этот «принстонский короткий путь», могут сделать финальный этап пути гораздо короче и дешевле.
После семи десятилетий попыток взойти на гору оказалось, что все это время существовал живописный маршрут в обход. И лично я — в полном восторге.
Источник: ScienceDaily