Когда наступит светлое термоядерное будущее?

«Термоядерная энергия — энергия будущего и всегда останется таковой». «В течение ближайших 50 лет, к 20... году, мы обязательно овладеем энергией ядерного синтеза. А если нет, то всего через 50 лет после этой или любой последующей даты». И так далее. Наслышаны о таких шутках?

Увы, сегодня, через полвека усилий по достижению экономически выгодного термоядерного синтеза, все эти мантры постепенно перестают работать.

Поэтому бюджет-2014 Национальной лаборатории по активации управляемого термоядерного синтеза (National Ignition Facility, NIF), основного учреждения в США, нацеленного на разработку средств инерциального термоядерного синтеза, был сокращён на 14% относительно нынешнего. На первый взгляд, это не самый разумный шаг. Да, пиковая мощность всех её 192 лазеров, обстреливающих водородные мишени, чтобы спровоцировать слияние ядер, равна 500 ТВт, то есть на триллионные секунды излучения ими импульса они потребляют намного больше электроэнергии, чем весь остальной мир вместе взятый. Но поскольку импульсы длятся сверхспринтерское время, каждый одновременный залп тратит электричества на считанные десятки долларов, и в любом случае затраты на эти разработки осмысленнее, чем основная часть современных оборонных расходов США, например.

 

Лазеры NIF, обстреливая мишень из водорода, делают его на короткое время плотнее стали. Увы, этого мало для экономически целесообразного термоядерного синтеза... (Здесь и ниже иллюстрации LLNL, ITER.)

В общем, для неофита всё выглядит так, будто г-н Обама — просто жалкий жадный политик, неспособный понять, что в долговременном плане расходы на НТР намного осмысленнее сбрасывания килотонны бомб в день где-нибудь в Афганистане. Как бы нам ни хотелось присоединиться к подобной оценке, она неверна.

Когда в 2009 году утверждалась нынешняя программа изысканий, сотрудники NIF выполнили расчёты и провели компьютерное моделирование, которое показало, что достраивавшегося тогда оборудования вполне достаточно для достижения экономически выгодного синтеза, когда от слияния атомов водорода будет получаться больше энергии, чем на его обеспечение тратят лазеры. Эпохальный результат предполагалось достичь 1 октября 2012 года. Природа, однако, в эти планы посвящена не была и в намеченный срок овладеть таким синтезом не дала: выход энергии от мишени был вдесятеро меньше ожидаемого, что и вызвало бюджетную реакцию президента США в виде усекновения $60 млн.

В чём дело? По словам Эда Мозеса (Ed Moses), возглавляющего в NIF исследования происходящего в мишенях инерциального синтеза, теперь ясно, что основная причина низкой отдачи — неравномерная деформация водородных мишеней, выявленная при помощи снимающих в рентгеновском диапазоне камер. Если на Солнце слияние ядер при высоких температуре и давлении происходит при однородном воздействии на атомы водорода со всех сторон, то в мишенях лазеры «давят» только в тех точках, куда падают их лучи; при этом мишень деформируется на манер клеверного листа, сжимаясь в точках воздействия лазера и «распухая» там, где лучи на них не падают. В местах таких «вспуханий» водород мишени теряет тепло, а давление в нём снижается относительно расчётного.

«Это как протекающий поршень, и давление в нём ни за что не будет повышаться», — поясняет г-н Мозес. Кроме того, пластиковая оболочка мишени при нагреве лазерами также может смешиваться с наружными слоями водорода и охлаждать мишень.

Само собой, догадаться об этом можно было лишь после экспериментов, ведь о поведении водорода в таких условиях просто не было достаточной информации. Однако предупреждающие голоса, конечно, раздавались, причём некоторые звучали до эксперимента. Дэвид Хаммер (David Hammer), физик из Корнеллского университета (США), замечает, что в National Ignition Facility, по сути, эксперименты рассматривались как инженерный проект — в предположении, что в теории всё ясно и осталось лишь слегка улучшать инженерные параметры реализации инерциального синтеза.

«Это была неуместная уверенность, — считает г-н Хаммер. — Проигнорировав то, что различные стадии этих экспериментов не были хорошо поняты теоретически, исследователи сделали следующий шаг». В принципе, уверен он, сотрудники NIF могли понять, что всё пойдёт не так, если бы до принятия нынешней программы проанализировали поведение мишеней на прежнем оборудовании, работающем на более низких энергиях. Соответственно, им стало бы понятно, что теоретическая модель не совпадет с реальным потоком получаемой энергии, и ложной уверенности в успехе просто не было бы. «Думаю, если бы они в 2009 году чуть больше занялись наукой, то теперь были бы куда ближе к инерциальному синтезу».

Одновременно снижается и американское участие в других проектах термоядерной ориентации. Международный токамак-проект ITER («Международный термоядерный экспериментальный реактор»), который уже в 2020 году должен дать вдесятеро больше энергии, чем потратить, вместо миллиарда долларов с лишним получит от США всего $225 млн. Сказать, что это мало, — всё равно что вежливо промолчать. Даже Россия вложит в эту инициативу, причём только в 2013–2015 годах, $500 млн.

 

JET, крупнейший токамак современности, намного уступает строящемуся ITER. При тепловой мощности в 500 МВт последний будет стоить не менее 20 млрд долларов, в то время как крупнейшая ГЭС мира при той же стоимости может похвастаться 45-кратно большей электрической мощностью.

Значительное сокращение финансирования ждёт и третью американскую термоядерную программу, ведущуюся термоядерной лабораторией Массачусетского технологического института.

В целом сокращения можно понять: недавние работы теоретиков заставляют предположить, что расчёты, лежащие в основе проекта ITER, тоже далеки от идеальной точности, как и те, на которых базировались амбиции NIF. Тем не менее заметим, что военная часть бюджета NIF на 2014 финансовый год, напротив, увеличена. США пытаются подновить свой довольно старый ядерный арсенал, и в NIF, позволяющей моделировать новое ядерное оружие без проведения запрещённых испытаний, потекли соответствующие деньги. Что на фоне сокращения энергетической термоядерной программы понять значительно труднее.

«Я всю жизнь посвятил этому, — говорит Эд Мозес. — Очень вероятно, что мы сможем преодолеть все возникающие проблемы. Если бы мы были профинансированы в полном объёме и выполнили нужные эксперименты, то, думаю, смогли бы изучить все эти феномены довольно полно в ближайшие три года. В спорте, если вы играете в долгом сезоне, иногда некоторые вещи идут хорошо, а иногда вы забиваете в свои ворота. Но главное в том, как вы завершите чемпионат страны...»

Подготовлено по материалам National Geographic.

Источник: Компьюлента