Сердце звезды забилось у нас на Земле. 150 млн градусов, 43 секунды — и это только разминка

В немецком реакторе Wendelstein 7-X ученым впервые удалось удержать плазму с помощью магнитного поля почти 43 секунды — это существенно дольше, чем во всех предыдущих экспериментах на этой установке. За достижением стоит не только технический прогресс, но и реальный шаг к управляемому ядерному синтезу — источнику практически неисчерпаемой и относительно экологичной энергии, основой которой может стать обычная морская вода.

Ядерный синтез давно рассматривается как ключ к энергетическому будущему. Он воспроизводит процессы, происходящие в недрах звёзд: лёгкие атомы водорода сливаются в более тяжёлые, при этом высвобождается огромное количество энергии. В отличие от традиционных ядерных реакторов, синтез не создаёт долгоживущих радиоактивных отходов и не требует использования редких или особо опасных материалов.

Однако реализовать стабильный синтез на Земле крайне сложно. Для этого необходимо создать условия, при которых сверхгорячая плазма — ионизированный газ из заряжённых частиц — удерживается в пространстве без соприкосновения со стенками реактора. Температура такой среды превышает показатели на поверхности Солнца в десятки раз.

Wendelstein 7-X относится к установкам стеллараторного типа. В отличие от более распространённых токамаков , он не требует создания электрического тока внутри самой плазмы. Вместо этого используется сложнейшая система внешних магнитных полей, формирующих замкнутую геометрию, которая позволяет изолировать и стабилизировать горячее вещество.

Недавний рекорд удержания плазмы на протяжении 43 секунд стал серьёзным научным успехом для немецких инженеров. Однако конкуренция не даёт расслабляться: британские учёные из оксфордского реактора JET (Joint European Torus) сообщили, что им удалось сохранить плазму в стабильном состоянии на протяжении 60 секунд ещё в декабре 2023 года, незадолго до завершения работы установки.

Хотя эти данные пока официально не опубликованы, ожидается, что научному сообществу их представят уже совсем скоро. Фактически Wendelstein и JET разделили лидерство в гонке за стабильный синтез.

Важно понимать, что JET работает по схеме токамака, а объём его плазмы примерно втрое превышает показатели немецкой установки. С одной стороны, это усложняет управление процессом, с другой — создаёт потенциал для большей энергетической отдачи.

Дискуссия о преимуществах токамаков и стеллараторов ведётся уже несколько десятилетий. Оба подхода используют магнитное поле для стабилизации реактивной среды. Различие кроется в конструкции: токамаки усиливают поле за счёт электрического тока, проходящего через плазму, стеллараторам достаточно внешних магнитов сложной геометрии. Последние демонстрируют высокую стабильность и потенциальную долговечность работы, что как раз подтверждает успех Wendelstein.

Пока Европа сосредоточена на магнитном удержании, в США активно развивается альтернативное направление — инерциальный синтез. В 2022 году на установке NIF (National Ignition Facility) в Калифорнии впервые удалось добиться термоядерного зажигания с помощью мощных лазеров. Энергия направлялась на крошечную капсулу с изотопами водорода — дейтерием и тритием, что вызвало реакцию синтеза с положительным энергетическим выходом.

Однако о практическом применении здесь говорить пока рано. Несмотря на рекорд, сама установка потребила в сотни раз больше энергии, чем было выработано в ходе эксперимента. К тому же, для коммерческого производства требуется инициировать около десяти подобных реакций каждую секунду — круглосуточно. Такие технические задачи пока остаются за пределами реальности, хотя стартапы вроде Marvel Fusion в Германии или Xcimer Energy в США работают над их решением.

Тем временем основное внимание мирового сообщества сосредоточено на технологиях магнитного удержания. Среди крупнейших инициатив — международный проект ITER, строящийся во Франции, который должен стать самой масштабной экспериментальной установкой по ядерному синтезу.

Стеллараторам, таким как Wendelstein 7-X, тоже отводится ключевая роль. Опять же, их конструкция обеспечивает повышенную стабильность и снижает риск повреждения стенок реактора при длительной работе. Руководитель проекта Томас Клингер из Института физики плазмы Макса Планка уже заявил о планах преодолеть рубеж в одну минуту непрерывного удержания, а в перспективе — выйти на получасовой режим.

Часть учёных, включая Роберта Вольфа, рассматривают возможность объединения преимуществ токамаков и стеллараторов в гибридных системах. Пока это остаётся на уровне теоретических моделей, однако направление активно обсуждается.

Частные компании тоже вносят свой вклад. Канадская General Fusion развивает концепцию магнитного мишенного синтеза (MTF), которая сочетает элементы магнитного и инерциального подходов. Разработчики сравнивают эту технологию с надёжным дизельным двигателем — установка должна быть компактной, практичной и несложной в эксплуатации.

Другой заметный проект — ARC, компактный токамак от Commonwealth Fusion Systems, созданный специалистами из MIT. Компания планирует запустить первый коммерческий реактор мощностью до 400 мегаватт уже в начале 2030-х годов — этого хватит для обеспечения электричеством около 150 тысяч домов.

Во всех этих проектах ключевую роль играют сверхпроводящие магниты, охлаждаемые жидким гелием до экстремально низких температур. Такие системы позволяют создавать мощнейшие магнитные поля с минимальными потерями энергии, что критически важно для эффективного контроля плазмы.

Некоторые эксперты, включая Джорджа Тайнана из Калифорнийского университета в Сан-Диего, скептически оценивают перспективы инерциального синтеза, считая его слишком сложным для массового применения. Тем не менее он признаёт, что успех NIF стал важным научным достижением, а частные инвестиции могут ускорить прогресс в любой из областей.

Сегодня капиталовложения частного сектора в синтез уже превосходят государственные бюджеты. Это может значительно ускорить технологический прорыв — в сложных инженерных областях, таких как освоение космоса или развитие энергетики, бизнес чаще готов рисковать и быстрее внедрять инновации.

Как лазерные, так и магнитные подходы требуют ещё лет испытаний и инженерной доработки. Но впервые за последние десятилетия знаменитый прогноз о синтезе через 30 лет звучит не как ирония, а как вполне достижимая цель. Возможно, к середине XXI века энергия звёзд действительно окажется в наших розетках.