Защо пробивът в термоядрения синтез е най-важната новина на годината?

Първият експеримент с ядрен синтез, при който е постигнато нетно увеличение на енергията, е проведен от учени от Националната библиотека "Лорънс Ливърмор" в Калифорния.

От 50-те години на миналия век насам този опит е определян като "Свещения Граал" в изследванията на ядрения синтез. Досега никоя група не е успяла да произведе повече енергия, отколкото се изразходва при реакцията - досега.

"Миналата седмица в Националната библиотека "Лорънс Ливърмор" учените от Националния център за запалване (NIF) постигнаха запалване на термоядрен синтез", заяви на пресконференция министърът на енергетиката на САЩ Дженифър Гранхолм.

Заместник-министърът на ядрената сигурност Джил Хруби заяви, че САЩ са предприели "първите несигурни стъпки към чист източник на енергия, който може да направи революция в света".

Защо ядреният синтез е толкова важен?

При ядрения разпад се образуват много радиоактивни отпадъци, които могат да бъдат опасни и трябва да се съхраняват безопасно - потенциално за стотици години.

Отпадъците, получени при ядрен синтез, са по-малко радиоактивни и се разпадат много по-бързо.

Ядреният синтез не се нуждае от изкопаеми горива като нефт или газ. Освен това при него не се отделят парникови газове, които задържат слънчевата топлина и са причина за изменението на климата.

При повечето експерименти за термоядрен синтез се използва водород, който може да се добива евтино от морска вода и литий, което означава, че запасите от гориво могат да продължат милиони години.

Какво представлява ядреният синтез и безопасен ли е?

Термоядреният синтез е процесът, който създава топлина и светлина в Слънцето.

При реакцията на термоядрен синтез два атома се сливат, за да образуват един атом, при което се освобождава огромно количество енергия.

Този процес се извършва постоянно в звездите, където тонове водородни атоми се сблъскват на всяка милисекунда. Когато разкъсат атомните си връзки и образуват по-тежки атоми на хелия, те генерират топлина и светлина.

За целта е необходимо да нагреят водородния газ до над 100 милиона градуса.

Не съществуват материали, които могат да издържат на пряк контакт с тази температура, така че свръхнагрятите атоми ще бъдат принудени да се съберат с помощта на мощни магнити в устройство, известно като "токамак".

Ако нещо се обърка в реактора за термоядрен синтез, устройството просто се спира - така че няма риск да се освободи тази колосална топлина.

Международната агенция за атомна енергия (МААЕ) нарича ядрения синтез "безопасен по своята същност".

Условията, необходими за започване и поддържане на термоядрената реакция, са толкова екстремни, че е невъзможно тя да излезе извън контрол.

"Ядреният синтез е самоограничаващ се процес: ако не можете да контролирате реакцията, машината се изключва сама", обясни Сехила Гонсалес де Висенте от МААЕ пред BBC.

По-ниското ниво на радиоактивни отпадъци, произвеждани от процеса в сравнение с ядреното делене, също така е много по-лесно за обработка и съхранение.

Как лабораторията произвежда енергия от ядрен синтез?

Експериментът в Калифорния на стойност 3,5 млрд. долара (3,3 млрд. евро). Съоръжението използва набор от 192 лазера, за да достави 2,05 мегаджаула енергия на златен цилиндър с размер на грахово зърно, съдържащ замразена гранула от водородните изотопи деутерий и тритий (изотопи (разновидности) на водорода).

Енергийният импулс кара капсулата да се разпадне, създавайки температури, които се наблюдават само в звездите и термоядрените оръжия. Водородните изотопи се сливат в хелий, освобождавайки допълнителна енергия и създавайки верижна реакция на термоядрен синтез.

Анализът на лабораторията показва, че реакцията е освободила около 3,15 мегаджаула енергия - приблизително 54 % повече от енергията, която е влязла в реакцията, и повече от два пъти повече от предишния рекорд от 1,3 мегаджаула.

"Това е важен етап, но това не е устройство за термоядрен синтез, а експеримент", казва Дейв Хамър, ядрен инженер в университета Корнел в Итака, Ню Йорк.

Херман признава това, като казва, че по пътя към лазерната термоядрена енергия има много стъпки. "Устройството не е проектирано за да бъде ефективно", казва той. "Беше проектирано да бъде най-големият лазер, който бихме могли да построим, за да ни даде данните, от които се нуждаем за изследователската програма за ядрения синтез."

Въпреки че експериментът е провеждан стотици пъти досега, миналата седмица за първи път горивото остана достатъчно горещо и достатъчно плътно и достатъчно  за да се запали. То произведе повече енергия, отколкото лазерите бяха отделили - около два мегаджаула изразходена енергия и три мегаджаула получена.

"Научните и технологичните предизвикателства по пътя към енергията от термоядрен синтез са ужасяващи, но да направим невъзможното възможно е това, в който сме най-добри", каза Ким Будил, директор на Националната библиотека "Лорънс Ливърмор".

"Запалването е първата стъпка, наистина монументална, която поставя началото на едно трансформиращо десетилетие в науката за енергията и изследванията в областта на термоядрения синтез. Нямам търпение да видя докъде ще ни отведе."

Кои са следващите важни етапи в областта на термоядрения синтез?

За да се докаже, че типът термоядрен синтез, изучаван в американската лаборатория, може да бъде жизнеспособен начин за производство на енергия, ефективността на добива - освободената енергия в сравнение с енергията, която се изразходва за производството на лазерни импулси - трябва да нарасне поне с два порядъка.

Изследователите ще трябва също така да увеличат значително скоростта, с която лазерите могат да произвеждат импулси, и скоростта, с която могат да изчистят целевата зона, за да я подготвят за ново изгаряне, казва Тим Люс, ръководител на научните и оперативните дейности в международния проект за ядрен синтез ITER, който се изгражда в Сен-Пол-лез-Дюран, Франция пред сп. „Нейчър“

Колко време ще мине, преди ядреният синтез да може да произвежда използваема енергия?

В целия свят са похарчени огромни суми за опити да се развие ядреният синтез като жизнеспособна алтернатива на други по-замърсяващи източници на енергия.

Поддръжниците му твърдят, че той може да захранва милиони домове, без да произвежда въглеродни емисии или опасни ядрени отпадъци.

Макар че неотдавнашният пробив е невероятно научно постижение, Будил заяви, че ще са необходими "вероятно десетилетия", преди да се създаде енергия, която действително да можем да използваме.

Лабораторията в САЩ използва един от най-големите лазери в света, а процесът изисква материали, които са трудни за производство. Все още не е разработено и оборудването, необходимо за превръщането на енергията, произведена от термоядрен синтез, в електричество, което може да бъде пуснато в мрежата.

Учените се опитват да осъществят термоядрен синтез от повече от 50 години и може да мине още известно време, преди да можем ефективно да захранваме домовете си с него.

Но, допълва Будил, "с целенасочени усилия и инвестиции, няколко десетилетия изследвания на основните технологии могат да ни поставят в позиция да изградим електроцентрала".

Миналата година и Обединеното кралство инвестира 10 млн. паунда (11,7 млн. евро) в "Токамак Енерджи",

Междувременно пет места в Шотландия и Англия са включени в краткия списък на потенциалния бъдещ дом на прототипа на британската термоядрена централа.

"Трудно е", казва физикът от "Токамак Енерджи" д-р Хана Уилет, като същевременно обяснява, че "от тази реакция получаваме много повече енергия, отколкото от изгарянето на изкопаеми горива".

На Земята може да бъде създадено съзвездие от малки слънца. Енергията от термоядрен синтез би била основен път в екологичния преход - наред с природните източници като слънчевата, вятърната и приливната енергия. Водородът може да се добива от морска вода, което означава, че разполагаме с практически неограничени запаси от гориво.

Ще функционира ли централа за ядрен синтез?

Теоретично ядреният синтез може да генерира огромни количества въглеродно неутрална енергия - почти четири милиона пъти повече енергия, отколкото при използването на въглища, нефт или газ.

Но работеща комерсиална инсталация ще трябва да преодолее много логистични препятствия - не на последно място, загряването на големи количества газ до 100 милиона градуса по Целзий.

Международната енергийна фондация предупреждава, че изграждането на реактор с търговска цел ще бъде "труден и скъп" процес.

Други планове за реактори се сблъскват с редовни трудности.

Тридесет и пет държави си сътрудничат за изграждането на гигантска централа в южната част на Франция. Проектът ITER на стойност 22 милиарда щатски долара - сътрудничество между Китай, Европейския съюз, Индия, Япония, Корея, Русия и САЩ - има за цел да постигне самоподдържащ се термоядрен синтез, което означава, че енергията от термоядрения синтез произвежда още термоядрен синтез, чрез техника, различна от подхода на "инерционното задържане" на американската лаборатория. Такъв самоподдържащ се синтез е ключът към производството на повече енергия от вложената.

Проектът е с надхвърлен бюджет и график, а планираната дата за стартиране е 2050 г.

"Една от причините за закъснението на ITER е, че той е много, много труден", казва пред BBC професор Иън Чапман, главен изпълнителен директор на британския орган за атомна енергия.

"Това, което правим, фундаментално разширява бариерите на познатото в света на технологиите."