Термоядерный синтез уже 50 лет на грани революции — но когда он действительно будет работать?

Термоядерный синтез должен был стать мечтой, воплощенной в реальность. Как только мы обнаружили, что путем столкновения маленьких атомов можно получать большие атомы с выделением небольшого количества энергии, ученые по всему миру поняли значение этого открытия в физике. Некоторые захотели превратить его в оружие, другие — в чистый, эффективный и неисчерпаемый источник электроэнергии.

Однако оказалось, что управляемый термоядерный синтез... это сложно. Очень сложно. Этот процесс полон неожиданных подводных камней и ловушек. Мы пытаемся построить термоядерные реакторы уже много десятилетий и достигли огромного прогресса — колоссального, революционного, расширяющего горизонты. Но мы всё еще не пришли к цели. Управляемый термоядерный синтез уже лет 50 перманентно находится "в 20 годах" от нас.

Основная проблема в том, что, хотя запустить термоядерную реакцию относительно просто (мы постоянно это делали в термоядерном оружии), гораздо сложнее сделать реакцию медленной, управляемой и извлекать из нее полезную энергию.

Сегодня существует два основных подхода к управляемому термоядерному синтезу. Один основан на методе инерционного удержания, где лазерами стреляют по мишени, заставляя её взрываться и запуская короткую термоядерную реакцию. В декабре 2022 года появились новости, что в лаборатории Национального управления по вооружениям США (NIF) удалось достичь позитивного выделения — когда из топлива выделяется больше энергии, чем было затрачено на него.

Другой подход основан на магнитном сдерживании плазмы, пока она не начинает термоядерную реакцию. Эксперименты здесь тоже продвинулись, но возникли сложности в поддержании стабильности плазмы, необходимой для устойчивой реакции. Последняя установка, ITER, сейчас строится международным консорциумом, который надеется, что после завершения ITER станет первым термоядерным реактором с магнитным сдерживанием, достигший безубыточности.

Однако NIF не предназначен для выработки электроэнергии, и неясно, как превратить этот процесс в электростанцию. Несмотря на всю мощь, NIF произвел электроэнергии на 5 центов с помощью термоядерного синтеза. К тому же понятие "безубыточности" несколько разочаровывает. Да, топливо выделило больше энергии, чем поглотило, но менее 1% энергии всей установки дошло до топлива. Что касается ITER, этот объект безнадежно увяз в хаосе управления и раздутом бюджете, и тоже не предназначен для выработки электроэнергии.

Когда же всё-таки появится эффективный термоядерный синтез?

Нельзя точно сказать, когда (и произойдет ли вообще) мы добьемся устойчивой работы термоядерных электростанций. Но некоторые эксперты указывают следующие прогнозы: 10% шанс в ближайшие 20 лет, 50% за следующее столетие, 30% за последующие 100 лет и 10% — этого никогда не случится. По крайней мере такие называет Пол Саттер — астрофизик из университета Стоуни Брук и института Flatiron в Нью-Йорке.

Откуда такие цифры? Термоядерный синтез — то, что называют вызовом столетия. Человечество уже решало такие масштабные проекты: огромные ирригационные сооружения на заре цивилизации, строительство храмов и городов, создание паровых машин, железных дорог, соборов и многое другое.

Обычно на такие проекты уходит жизнь нескольких поколений. Иногда мы можем ускорить прогресс и завершить их за короткое время, сконцентрировав колоссальные ресурсы, грамотное руководство, таланты и ноу-хау. Примеры — Манхэттенский проект и высадка человека на Луне.

Но в середине XX века у нас была возможность потратить ресурсы поколения на ядерные исследования — и мы выбрали бомбы, а не электростанции. Поэтому направление мирного атома не прогрессировало столь быстро (т.к. не получило вложений на уровне столетия) и с 1950-х буксует.

Это означает, что исследования термояда получают столько же приоритета, сколько и другие научные направления. Т.е. на воплощение уйдет порядка века. Но это нормально. Мы подойдем к этому не спеша, сделаем всё правильно, и терпение окупится.