Лаборатория ядерного синтеза добилась «возгорания»: что это значит?

 Исследователи из Национального центра воспламенения США создали реакцию, которая произвела больше энергии, чем они вложили.

Ученые на крупнейшем в мире объекте ядерного синтеза впервые добились явления, известного как воспламенение, — создания ядерной реакции, которая генерирует больше энергии, чем потребляет. Результаты прорыва в Национальном центре воспламенения США (NIF), проведенного 5 декабря и объявленного сегодня администрацией президента США Джо Байдена, взбудоражили мировое сообщество исследователей термоядерного синтеза. Это исследование направлено на использование ядерного синтеза — явления, которое питает Солнце — для обеспечения источника почти безграничной чистой энергии на Земле. Исследователи предупреждают, что, несмотря на последние успехи, до достижения этой цели еще далеко.

«Это невероятное достижение», — говорит Марк Херрманн, заместитель директора по фундаментальной физике оружия в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии, где находится термоядерная лаборатория. По словам Херрманна, знаменательный эксперимент следует за годами работы нескольких команд над всем, от лазеров и оптики до мишеней и компьютерных моделей. «Это, конечно, то, что мы празднуем».

Флагманский экспериментальный объект ядерно-оружейной программы Министерства энергетики США, предназначенный для изучения термоядерных взрывов, NIF изначально был нацелен на достижение воспламенения к 2012 году и столкнулся с критикой за задержки и перерасход средств. В августе 2021 года ученые NIF объявили, что они использовали свое мощное лазерное устройство для достижения рекордной реакции, которая преодолела критический порог на пути к воспламенению, но попытки воспроизвести этот эксперимент или выстрел в последующие месяцы не увенчались успехом. В конце концов, ученые отказались от попыток воспроизвести этот выстрел и переосмыслить схему эксперимента — усилия, которые окупились на прошлой неделе.

«Было много людей, которые не думали, что это возможно, но я и другие, кто сохранил веру, чувствовали себя в некоторой степени оправданными», — говорит Майкл Кэмпбелл, бывший директор термоядерной лаборатории Рочестерского университета в Нью-Йорке и один из первых сторонник NIF в лаборатории Лоуренса Ливермора. «У меня есть космо, чтобы отпраздновать».

Природа смотрит на последний эксперимент NIF и на то, что он означает для науки о термоядерном синтезе.

Чего добился НИФ?

Установка использовала свой набор из 192 лазеров для подачи 2,05 мегаджоулей энергии на золотой цилиндр размером с горошину, содержащий замороженную таблетку изотопов водорода дейтерия и трития. Импульс энергии заставил капсулу разрушиться, создавая температуру, наблюдаемую только у звезд и термоядерного оружия, а изотопы водорода сливались в гелий, высвобождая дополнительную энергию и создавая каскад термоядерных реакций. Лабораторный анализ показывает, что в результате реакции было высвобождено около 3,15 мегаджоулей энергии, что примерно на 54% больше, чем энергия, затраченная на реакцию, и более чем вдвое превышает предыдущий рекорд в 1,3 мегаджоуля.

«Исследования в области термоядерного синтеза ведутся с начала 1950-х годов, и впервые в лаборатории термоядерный синтез произвел больше энергии, чем потребляет», — говорит Кэмпбелл.

Однако в то время как реакции синтеза могли произвести более 3 мегаджоулей энергии — больше, чем было доставлено к цели — 192 лазера NIF израсходовали 322 энергии.

мегаджоулей энергии в процессе. Тем не менее, эксперимент квалифицируется как воспламенение, эталонная мера для термоядерных реакций, которая фокусируется на том, сколько энергии попало в цель по сравнению с тем, сколько энергии было высвобождено.

«Это важная веха, но NIF — это не устройство для получения термоядерной энергии», — говорит Дэйв Хаммер, инженер-ядерщик из Корнельского университета в Итаке, штат Нью-Йорк.

Херрманн признает это, говоря, что на пути к лазерной термоядерной энергии предстоит пройти много шагов. «NIF не был разработан, чтобы быть эффективным, — говорит он. «Он был спроектирован как самый большой лазер, который мы могли бы построить, чтобы предоставить нам данные, необходимые для программы исследования [ядерных] запасов».

Чтобы добиться воспламенения, ученые NIF внесли несколько изменений перед последним лазерным выстрелом, частично основываясь на анализе и компьютерном моделировании экспериментов, проведенных в прошлом году. В дополнение к увеличению мощности лазера примерно на 8%, ученые создали цель с меньшим количеством дефектов и отрегулировали способ подачи энергии лазера, чтобы создать более сферический имплозий. Ученые знали, что они работают на пороге термоядерного воспламенения, и в этом режиме, говорит Херрманн, «небольшие изменения могут иметь большое значение».

Почему эти результаты значимы?

С одной стороны, речь идет о доказательстве того, что это возможно, и на этом фронте многие ученые приветствовали результат как веху в науке о термоядерном синтезе. Но результаты имеют особое значение в NIF: установка была разработана, чтобы помочь ученым-ядерщикам изучать сильное тепло и давление при взрывах, а это возможно только в том случае, если установка производит реакции синтеза с высокой мощностью.

На это ушло более десяти лет, «но их можно похвалить за то, что они достигли своей цели», — говорит Стивен Боднер, физик, ранее возглавлявший программу лазерного термоядерного синтеза в Исследовательской лаборатории ВМС США в Вашингтоне. Боднер говорит, что сейчас большой вопрос заключается в том, что Министерство энергетики будет делать дальше: удвоить усилия по исследованиям оружия в NIF или перейти к лазерной программе, ориентированной на исследования в области термоядерной энергии.

Что это означает для термоядерной энергии?

Последние результаты уже возобновили шумиху о будущем, основанном на чистой термоядерной энергии, но эксперты предупреждают, что впереди долгий путь.

NIF не разрабатывался с расчетом на коммерческую термоядерную энергию, и многие исследователи сомневаются, что лазерный термоядерный синтез станет тем подходом, который в конечном итоге даст термоядерную энергию. Но Кэмпбелл считает, что его последний успех может повысить уверенность в перспективах мощности лазерного синтеза и открыть дверь для программы, ориентированной на приложения энергии. «Это абсолютно необходимо, чтобы завоевать доверие для продажи энергетической программы», — говорит он.

Директор лаборатории Лоуренса Ливермора Ким Будил назвал это достижение доказательством концепции. «Я не хочу давать вам понять, что мы собираемся подключить NIF к сети: это определенно не так», — сказала она во время пресс-конференции в Вашингтоне, округ Колумбия. «Но это фундаментальный строительный блок схемы термоядерного синтеза с инерционным удержанием».

Во всем мире проводится много других экспериментов по термоядерному синтезу, в которых пытаются добиться термоядерного синтеза для энергетических приложений с использованием различных подходов. Но инженерные проблемы остаются, включая проектирование и строительство заводов, которые могут извлекать тепло, выделяемое в результате синтеза, и использовать его для выработки значительного количества энергии, которую можно превратить в полезную электроэнергию.

«Несмотря на положительные новости, этот результат все еще далек от фактического прироста энергии, необходимого для производства электроэнергии», — сказал Тони Роулстоун, исследователь ядерной энергии из Кембриджского университета, Великобритания, в заявлении Научному медиа-центру. .

Тем не менее, «эксперименты NIF, сосредоточенные на термоядерной энергии, абсолютно необходимы на пути к коммерческой термоядерной энергии», — говорит Энн Уайт, физик плазмы из Массачусетского технологического института в Кембридже.

Каковы следующие важные вехи в области синтеза?

Чтобы продемонстрировать, что тип синтеза, изучаемый в NIF, может быть жизнеспособным способом производства энергии, эффективность выхода — высвобождаемая энергия по сравнению с энергией, которая идет на создание лазерных импульсов — должна вырасти как минимум на два порядка. .

Исследователям также потребуется резко увеличить скорость, с которой лазеры могут генерировать импульсы, и то, как быстро они смогут очистить камеру-мишень, чтобы подготовить ее к следующему сжиганию, говорит Тим Люс, руководитель отдела науки и эксплуатации в международном проекте ядерного синтеза ИТЭР. , который строится в Сен-Поль-ле-Дюранс, Франция.

«Достаточное количество событий, производящих термоядерную энергию при повторяющихся действиях, было бы важной вехой, представляющей интерес», — говорит Уайт.

Проект ИТЭР стоимостью 22 миллиарда долларов США — это сотрудничество Китая, Европейского Союза, Индии, Японии, Кореи, России и США — направлен на достижение самоподдерживающегося синтеза, а это означает, что энергия от синтеза производит больше термоядерного синтеза за счет другого метод из подхода «инерционного удержания» NIF. ИТЭР будет удерживать плазму дейтерия и трития в тороидальной вакуумной камере или токамаке и нагревать ее до тех пор, пока ядра не сольются. Когда он начнет это делать в 2035 году, он будет стремиться достичь стадии «горения», объясняет Люс, «где мощность самонагрева является доминирующим источником тепла». Такой самоподдерживающийся синтез является ключом к производству большего количества энергии, чем затрачивается.

Что это значит для других термоядерных экспериментов?

NIF и ITER — это две концепции технологии термоядерного синтеза среди многих, которые разрабатываются во всем мире. Подходы включают магнитное удержание плазмы, используемое токамаками и стеллараторами, инерционное удержание, используемое NIF, и гибрид.

По словам Уайта, технология, необходимая для получения электричества из термоядерного синтеза, в значительной степени не зависит от концепции, и последняя веха не обязательно приведет к тому, что исследователи откажутся от концепций или объединят их.

Инженерные задачи, с которыми сталкивается НИФ, отличаются от задач ИТЭР и других объектов. Но символическое достижение может иметь широкомасштабные последствия. «Подобный результат вызовет повышенный интерес к прогрессу всех типов термоядерного синтеза, поэтому он должен оказать положительное влияние на исследования в области термоядерного синтеза в целом», — говорит Люс.

Источник