Давний анекдот о синтезе — что это наш будущий источник энергии и всегда таким будет — пожалуй, является самой большой проблемой для этой сферы. Стремление поместить энергию солнца в бутылку привело к бесчисленным мечтательным предсказаниям на тему неизбежной революции в сфере экологически чистой энергии. Но ожидание синтеза так и осталось ожиданием, кредит доверия давно исчерпан, а общественное отношение к этому вопросу уже ничем не спасти.

Хотя наш цинизм о синтезе может быть вполне оправданным, он также весьма печален. Потому что, несмотря на прохладную поддержку и постоянные проблемы с финансированием, исследователи умудряются добиваться прогресса в направлении этого футуристического источника энергии. Однажды ученые справятся со всеми техническими проблемами. Однажды.

На прошлой неделе редактор io9 посетил Принстонскую лабораторию физики плазмы, чтобы взглянуть на недавно модернизированный эксперимент NSTX-U (National Spherical Torus Experiment), самый мощный «сферический токамак» — реактор синтеза на Земле. 85-тонная машина в форме гигантского яблока использует высокоэнергетические частицы для нагрева атомов водорода до температуры 100 миллионов градусов по Цельсию, что выше, чем в ядре Солнца. Для удержания этой сверхгорячей плазмы, обмоточные медные катушки генерируют магнитное поле в 20 000 раз более мощное, чем у Земли. Все для того, чтобы в течение нескольких волшебных секунд атомные ядра сталкивались, синтезировались и выпускали энергию.

Этот эксперимент является шагом на пути к создания установки синтеза, которая будет работать постоянно, запитывая целые города всего лишь одним граммом морской воды.

Звучит, конечно, это прекрасно. Но ядерная физика говорит свое веское «нет».

Легко понять, почему сфера энергии синтеза склонна к громким заявлениям — в основе лежит просто невероятная идея. Но что больше всего поражает во время экскурсии по PPPL, это не волшебная наука, которая творится внутри гигантского реактора, и не центр управления а-ля Хьюстон, где десятки ученых проводят моделирования на суперкомпьютерах. Поражает баланс оптимизма на тему будущего энергии синтеза и реализма на тему сложных физических и технических проблем, которые необходимо решить на пути к этому будущему.

«Все это слишком классно, чтобы быть правдой: сама идея того, что мы получим источник безграничной и безуглеродной энергии», — говорит Клейтон Майерс, плазмофизик из NSTX-U. — Но ядерная физика говорит, что это не так. Доказано лишь то, что термоядерные реакции реальны и что мы можем их проводить».

Первая проблема, как выяснили физики в 1950-х и 1960-х, заключается в том, что синтезируемая плазма — свободно текущий бульон из протонов и электронов, атомные ядра которых сталкиваются и испускают энергию — не любит, когда ее удерживают. Она хочет расплескиваться повсюду, и нам нужно достаточно высокое давление и длительное время, чтобы мы могли произвести больше энергии, чем потратить на удержание этой плазмы.

Наше солнце удерживает плазму силой своей гравитации, но на Земле мы должны полагаться на мощные магниты и лазеры для этого. И цена ошибки очень высока. Даже крошечное количество сбежавшей плазмы может пробить стенку реактора и остановить процесс.

Область физики плазмы расцвела из желания закупорить звезду в бутылке. За последние несколько десятилетий эта область разрослась в бесчисленных направлениях, от астрофизики до космической погоды и нанотехнологий.

По мере того, как росло наше общее понимание плазмы, росли и наши возможности поддержания условий синтеза в течение больше чем секунды. В начале этого года новый сверхпроводниковый реактор синтеза в Китае смог удержать плазму температурой в 50 миллионов градусов по Цельсию в течение рекордных 102 секунд. Wendelstein X-7 Stellarator, который заработал в Германии впервые прошлой осенью, как ожидается, сможет побить этот рекорд и удержать плазму до 30 минут за раз.

Недавнее обновление NSTX-U выглядит скромным в сравнении с этими монстрами: теперь эксперимент может удерживать плазму в течение пяти секунд вместо одной. Но и это тоже является важной вехой.

«Создание термоядерной плазмы, которая живет всего пять секунд, может показаться не очень длительным процессом, но в физике плазмы пять секунд можно сравнить с ее физикой в стабильном состоянии», — говорит Майерс, ссылаясь на условия, при которых плазма стабильна. Конечная цель заключается в достижении стабильного состояния «горящей плазмы», которая может проводить синтез сама по себе за счет небольшого ввода энергии извне. Ни один эксперимент пока такого не добился.

NSTX-U позволит принстонским исследователям заполнить некоторые пробелы между тем, что известно из физики плазмы сейчас, и тем, что будет необходимо для создания опытно-промышленной установки, способной достичь устойчивого состояния горения и генерации чистой электроэнергии.

С одной стороны, чтобы найти лучшие материалы для удержания, нам нужно лучше понять, что происходит между термоядерной плазмой и стенками реактора. В Принстоне изучают возможность замены стенок своего реактора (из угольного графита) на «стенку» из жидкого лития с целью снижения долгосрочной коррозии.

Ко всему прочему, ученые полагают, что если синтез поможет в борьбе с глобальным потеплением, им нужно поторапливаться. NSTX-U поможет физикам решить, стоит ли продолжать развивать дизайн сферического токамака. Большинство реакторов типа токамак в меньшей степени похожи на яблоко по форме и в большей — на пончик, бублик, тор. Необычная форма сферического тора позволяет более эффективно использовать магнитное поле своих катушек.

«В длительной перспективе мы хотели бы выяснить, как оптимизировать конфигурацию одной из этих машин, — говорит Мартин Гринвальд, замдиректора Центра наук о плазме и синтезе в MIT. — Для этого вам нужно знать, как производительность машины зависит от того, что поддается вашему контролю, вроде формы».

Майерс ненавидит оценивать, насколько мы далеки от коммерчески возможной термоядерной энергии, и его можно понять. В конце концов, десятки лет неизбывного оптимизма нанесли серьезный вред репутации этой области и укрепили мысли о том, что синтез — это несбыточная мечта. Со всеми последствиями для финансирования.

Для программы синтеза MIT стало серьезным ударом то, что федералы предоставили поддержку токамака Alcator C-Mid, который производит одно из мощнейших магнитных полей и демонстрирует синтезируемую плазму при высочайшем давлении. Большинство ожидаемых исследований NSTX-U будут зависеть от дальнейшей поддержки на федеральном уровне, которая, по словам Майерса, оказывается «через год».

Всем приходится осторожно тратить доллары, выделяемые на исследования, а некоторые программы синтеза уже сожрали невероятные суммы. Взять, например, ИТЭР, огромный сверхпроводящий реактор синтеза, который в настоящее время строится во Франции. Когда в 2005 году началось международной сотрудничество, оно было заявлено как проект на 5 миллиардов долларов и 10 лет. После нескольких лет неудач ценник вырос до 40 миллиардов долларов. По самым оптимистичным оценкам, объект будет завершен к 2030 году.

И там где ИТЭР, похоже, будет разбухать как опухоль, пока не исчерпает ресурсы и не убьет хозяина, урезанная программа синтеза в MIT показывает, как можно сделать все с гораздо меньшим бюджетом. Прошлым летом команда аспирантов MIT представила планы ARC, термоядерного реактора с низким уровнем затрат, который будет использовать новые высокотемпературные сверхпроводящие материалы для генерации такого же объема энергии, как и ИТЭР, только с гораздо меньшим устройством.

«Проблема синтеза в том, чтобы найти технический путь, который сделает его экономически привлекательным — это-то мы и планируем сделать в ближайшее время, — говорит Гринвальд, отмечая, что концепция ARC в настоящее время проводится в рамках Energy Initiative в MIT. — Мы считаем, что если синтез будет иметь значение для глобального потепления, нам нужно двигаться быстрее».

«Синтез обещает быть основным источником энергии — это, по сути, наша конечная цель», — говорит Роберт Рознер, плазмофизик из Университета Чикаго и соучредитель Института энергетической политики при нем. «В то же время есть важный вопрос: сколько мы готовы потратить прямо сейчас. Если мы снизим финансирование до той точки, когда следующее поколение умных детишек вообще не захочет этим заниматься, мы можем вообще выйти из этого дела».