Как работает термоядерный синтез?

Когда речь заходит о термоядерном синтезе, многие представляют себе что-то вроде взрывов в космосе или фантастических реакторов из фильмов. На самом деле всё не так уж запредельно. Термоядерный синтез — это процесс, который каждую секунду происходит в звёздах, в том числе в нашем Солнце. И если человечество научится управлять этим процессом здесь, на Земле, энергетика может навсегда измениться.

Термоядерный синтез — это объединение лёгких атомных ядер в более тяжёлые. При этом выделяется колоссальное количество энергии.

Самый распространённый пример — синтез двух ядер водорода в одно ядро гелия. Именно так Солнце излучает свой свет и тепло. Когда ядра сталкиваются с очень высокой скоростью, силы отталкивания между ними преодолеваются, и происходит слияние.

Почему это важно? Потому что энергия, выделяющаяся при синтезе, примерно в миллион раз больше, чем при обычной химической реакции вроде горения бензина, и в несколько раз эффективнее, чем при делении атомных ядер в традиционных атомных электростанциях.

Казалось бы — бери и используй! Но есть одна проблема: чтобы ядра «захотели» слиться, им нужно преодолеть гигантское электростатическое отталкивание. Для этого вещества надо нагреть до температур, которые сопоставимы с сердцем звезды — десятки миллионов градусов.

Как мы пытаемся зажечь «маленькое солнце» на Земле?

Учёные десятилетиями работают над тем, чтобы создать управляемую термоядерную реакцию. Есть два основных способа:

1. Магнитное удержание (токамаки и стелларатора)
Идея в том, чтобы взять лёгкий газ (обычно дейтерий и тритий — тяжёлые изотопы водорода), нагреть его до состояния плазмы — это четвёртое агрегатное состояние вещества, где электроны оторваны от ядер, — и удерживать эту плазму с помощью мощных магнитных полей, чтобы она не соприкасалась со стенками реактора.

Самый известный проект такого типа — международный токамак ITER, который строят во Франции. Там собираются нагревать плазму до 150 миллионов градусов — это в 10 раз горячее центра Солнца!

2. Инерциальное удержание (лазеры)
В этом методе маленькие капсулы с топливом облучают мощными лазерами со всех сторон. Капсула сжимается и нагревается, и при правильных условиях начинается синтез. Один из крупнейших проектов в этой области — Национальная установка лазерной термоядерной синтеза (NIF) в США.

Оба подхода невероятно сложны и требуют решений на грани современных технологий: сверхмощных магнитов, высокотемпературных материалов, систем сверхбыстрого контроля.

И самое главное — пока ещё ни один реактор в мире не дал «чистой» энергии, то есть энергии больше, чем затрачено на поддержание реакции. Но мы всё ближе.

В декабре 2022 года на NIF впервые в истории получили положительный энергетический выход при лазерном термоядерном синтезе: энергия, высвобождённая в процессе, превысила энергию лазеров, направленных на капсулу. Это пока лабораторный успех, но он доказал: термоядерный синтез возможен.

Почему это важно для всего человечества?

Если термоядерный синтез удастся поставить на поток, у нас появится практически бесконечный источник энергии:

  • Топливо почти неисчерпаемо. Дейтерий можно добывать из обычной воды, тритий — синтезировать внутри реактора.

  • Минимальные отходы. Нет радиоактивных долгоживущих отходов, как у обычных АЭС.

  • Отсутствие выбросов углекислого газа. Термоядерные электростанции не будут загрязнять атмосферу.

  • Безопасность. Термоядерная реакция не способна развиться в неконтролируемую цепную реакцию, как в Чернобыле. В случае аварии плазма просто погаснет.

Но путь к промышленному термоядерному синтезу непростой. Главные вызовы сегодня:

  • создание материалов, способных выдерживать экстремальные температуры и радиацию;

  • разработка магнитов, мощных и стабильных на долгие циклы работы;

  • автоматизация контроля за плазмой в реальном времени;

  • оптимизация затрат энергии для коммерческой эффективности.

По самым осторожным прогнозам, первые термоядерные электростанции могут начать строить в середине XXI века. А отдельные эксперты верят, что прототипы появятся уже к 2040 году.


Термоядерный синтез — это одна из самых амбициозных целей человечества. Построить «маленькое солнце» на Земле — задача по-настоящему космического масштаба. Но если нам это удастся, мы решим одновременно энергетический, экологический и экономический кризисы на столетия вперёд.

И на этот раз, кажется, успех действительно не за горами.

Читайте также

Ученые раскрыли пользу кимчи: пробиотики, витамины и жирные кислоты

Ученые раскрыли пользу кимчи: пробиотики, витамины и жирные кислоты

Ученые предложили новый сценарий происхождения первых клеток на Земле

Ученые предложили новый сценарий происхождения первых клеток на Земле

В России появится национальная база генетической информации

В России появится национальная база генетической информации

Ученые впервые сняли движение электронов внутри молекулы во время химической реакции

Ученые впервые сняли движение электронов внутри молекулы во время химической реакции

ИИ точно прогнозирует свойства новых материалов по химической формуле

ИИ точно прогнозирует свойства новых материалов по химической формуле

ИИ создал вирусы, которых никогда не существовало в природе

ИИ создал вирусы, которых никогда не существовало в природе

Ученые заставили мозг «увидеть» то, чего не существует в реальности

Ученые заставили мозг «увидеть» то, чего не существует в реальности

Ученые обнаружили необычное свойство диоксида титана при толщине менее 3 нанометров

Ученые обнаружили необычное свойство диоксида титана при толщине менее 3 нанометров

Робот МФТИ установил рекорд сборки головоломки «мегаминкс» за 9,6 секунды

Робот МФТИ установил рекорд сборки головоломки «мегаминкс» за 9,6 секунды

Медицинские технологии, в которые почти невозможно поверить

Медицинские технологии, в которые почти невозможно поверить

Квантовый двигатель нарушает законы термодинамики, генерируя работу и холод одновременно

Квантовый двигатель нарушает законы термодинамики, генерируя работу и холод одновременно

Как РЛС Вадима Мацкевича решила исход Корейской войны

Как РЛС Вадима Мацкевича решила исход Корейской войны

В России создают автономных роботов для огнеупорного производства

В России создают автономных роботов для огнеупорного производства

В Японии возник острый дефицит углекислого газа

В Японии возник острый дефицит углекислого газа

«Умный» столик для разварки кристаллов спасет электронику от брака

«Умный» столик для разварки кристаллов спасет электронику от брака

Ученые виртуально развернули и прочли свитки папируса, обугленные при извержении Везувия

Ученые виртуально развернули и прочли свитки папируса, обугленные при извержении Везувия