Никакого “прорыва” нет: термоядерная энергия NIF по-прежнему потребляет в 150 раз больше, чем создает

Если вы дадите мне 400 долларов, а я дам вам за это 2,50 доллара, будете ли вы считать себя богаче? Примерно такой “прорыв” произошел в термоядерной энергетике.

В 2021 году Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций (NIF) из Ливермора, Калифорния, уже объявлял о научном прорыве в своем стремлении к технологии управляемого термоядерного синтеза. И вот, год спустя они делают еще одно заявление, которое называют “судьбоносным”, “преобразующим” и “историческим моментом”. Но это не значимый прорыв для практической, коммерческой термоядерной энергетики: NIF по-прежнему потребляет из энергосистемы по меньшей мере в 150 раз больше энергии, чем производит.

Законный прорыв 2021 года

Главной новостью прошлого года стало то, что NIF значительно увеличил выход термоядерного синтеза в своих экспериментах. Вот краткий обзор:

“NIF был построен для двух миссий. Проведение исследований в поддержку Программы управления запасами является первоочередной обязанностью, но на табличке над дверью не написано “Национальный исследовательский центр запасов”. NIF назван в честь своей другой задачи: способствовать нашему стремлению понять и использовать энергию ядерного синтеза. Недавний прорыв в этой термоядерной миссии попал в заголовки научного сообщества”.

“Одной из двух важнейших частей термоядерной миссии NIF является “зажигание”: высвобождение количества термоядерной энергии, превышающего энергию лазера, необходимую для имплозии. После провала кампании National Ignition Campaign ученые считали, что зажигание на NIF осуществить невозможно. Эта цель остается за пределами нашего понимания, но у них получилось и теперь она гораздо ближе, чем раньше. Более важной новостью является то, что мы, возможно, увидели первые признаки другой важной цели термоядерного синтеза: термоядерного горения”.

Разрекламированный прорыв в 2022 году

В ходе этой работы выход энергии лазерного термоядерного синтеза на NIF – измеряемый в мегаджоулях, МДж – подскочил на 2500%, что свидетельствует о значительном прогрессе в физике в решении важнейшей проблемы термоядерного горения. Объявление, сделанное 12 декабря, свидетельствует о дальнейшем увеличении выхода термоядерного синтеза всего на 70%. Но этот постепенный, возможно, случайный прогресс в области термоядерного горения не является прорывом.

Увеличение на 70% подталкивает выход термоядерного синтеза с 70% от входной мощности лазера до 120%. Наконец-то установка достигла немного большего выхода термоядерного синтеза, чем входное воздействие лазера: зажигание. На бумаге это большая символическая победа. На практике это не имеет большого значения. И вот почему.

термоядерн

Энергия лазера, поданная на мишень, составила 2,1 МДж, а термоядерный выход, вероятно, составил около 2,5 МДж. Согласно многочисленным источникам на сайте NIF, известно, что входная энергия, необходимая для лазерной системы находится где-то между 384 и 400 МДж. Потреблять 400 МДж, чтобы произвести 2,5 МДж – это чистая потеря, превышающая 99%. На каждую единицу произведенной термоядерной энергии NIF сжигает минимум 150-160 единиц энергии.

С точки зрения электрической мощности, 2,5 МДж не хватит для питания одной 40-ваттной лампочки холодильника в течение дня. Постоянная зарядка NIF в течение того же дня потребует от электросети 4 600 ватт.

Достижение жизнеспособной термоядерной энергии

Чтобы производить полезную энергию, NIF должен увеличить термоядерный выход каждого эксперимента по меньшей мере на 100 000%. Это огромная научная проблема, которую необходимо решить, прежде чем можно будет рассматривать возможность коммерческой эксплуатации.

Такая научная проблема равна и, возможно, превосходит все другие. Электростанция должна производить стабильную энергию. В настоящее время NIF производит, в лучшем случае, один экспериментальный взрыв в день. Коммерческая установка должна будет взрывать капсулы, производящие термоядерный синтез, со скоростью десятки тысяч в день.

Для каждого воспламенения необходимы строгие условия: температура на несколько градусов (Кельвина) выше абсолютного нуля; сферическая капсула, механически совершенная по форме с погрешностью менее 1% ширины человеческого волоса; и среда вакуумной камеры. Большинство воспламенений сегодня происходят в несколько несовершенных условиях и производят гораздо меньше термоядерного синтеза.

Кроме того, сейчас машине требуются часы для восстановления после каждого эксперимента. Тот факт, что NIF способен делать это один раз в день, является техническим достижением, на совершенствование которого ушли годы работы. Сделать процесс в 10 000 раз быстрее – абсурдно сложно. А если бы это вдруг удалось осуществить, то потребовалось бы еще больше инженерных разработок, чтобы извлечь энергию в виде тепла для практического производства электричества.

Наконец, существует огромная проблема снабжения. Капсулы содержат дейтерий и тритий. И если дейтерия у человечества много, то весь мировой запас трития составляет около 50 фунтов (22,67 кг). В 2020 году рыночная стоимость трития составляла почти 1 миллион долларов за унцию (28,35 гр). По оценкам ливерморских ученых, для коммерческого использования по образцу NIF потребуется два фунта (907 гр) в день. А производство большего количества трития само по себе будет крайне непростой задачей.

Достижения есть

Как и в 2021 году, мы приветствуем научные достижения NIF. Многие годы напряженной работы привели к прогрессу в решении одной из самых сложных прикладных научных проблем, которые когда-либо решались. С научной точки зрения, это впечатляющий прогресс. Но это не прорыв, не переломный момент и не предвестник скорого появления энергии чистого термоядерного синтеза. NIF, к сожалению, все еще находится на расстоянии десятилетий от экономически жизнеспособного термоядерного синтеза.

Читайте также: США собираются объявить и прорыве в области энергии ядерного синтеза

Поделиться