Как в американской лаборатории снова создали энергию термоядерного синтеза

Шквал рентгеновских лучей обрушивается на крошечную гранулу при температурах и давлениях, превышающих солнечные.

Отредактировано 2023-14-08
Оборудование в центре Национальной установки зажиганияМишенная камера Национальной установки зажигания LLNL.

Около восьми месяцев назад ученые из лаборатории, финансируемой правительством США, воспроизвели процесс, приводящий в движение звезды - ядерный синтез, и получили больше энергии, чем вложили. Теперь физики и инженеры той же самой лаборатории - National Ignition Facility (NIF) при Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора в Северной Калифорнии - похоже, во второй раз успешно провели эксперимент по получению энергии при термоядерном синтезе.

Последнее достижение NIF - это еще один шаг - второй шаг по очень длинному пути к мечте о том, что термоядерный синтез обеспечит мир чистой и богатой энергией. До открытия термоядерной электростанции в вашем городе еще далеко. Но ученые настроены оптимистично.

"Это говорит о том, что ученые [NIF] и их коллеги достаточно хорошо понимают, что произошло в декабре, и смогли сделать так, чтобы это произошло снова", - говорит Джон Пэсли, специалист по термоядерному синтезу из Йоркского университета (Великобритания), который не принимал участия в этом эксперименте.

В NIF отказались от комментариев, отметив, что ученые установки еще не представили официальных результатов. До тех пор пока это не произойдет, мы не узнаем многого об особенностях эксперимента, который был проведен 30 июля.

Существует несколько способов достижения термоядерного синтеза, и NIF работает с одним из них, называемым инерционным термоядерным синтезом (ICF). В установке NIF мощный лазерный луч расщепляется на 192 меньших луча, которые обрушиваются на капсулу, называемую учеными хольраумом. Внутри стен хольраума этот шквал порождает рентгеновское излучение, которое врезается в наполнитель капсулы - гранулу дейтерия и трития, сверхсжатие ее при температурах и давлениях, превышающих солнечные, и инициирует термоядерный синтез.

Цель всей этой работы - пройти точку безубыточности и создать больше энергии, чем вкладывает лазер, - достижение, которое термоядерные ученые называют выигрышем. В декабрьском эксперименте 2,05 мегаджоуля лазерных лучей вызвали 3,15 мегаджоуля энергии термоядерного синтеза. Мы не будем знать точно, пока NIF не опубликует свои данные, но неназванные источники сообщили Financial Times, что второй успех позволил получить еще больший выигрыш.

Кроме того, в декабрьском эксперименте был достигнут саморазогрев - состояние, когда термоядерная реакция питает сама себя, как огонь, который больше не нужно разжигать. Многие ученые считают, что саморазогрев является необходимым условием для выработки энергии на ИЯФ. Сторонние ученые предполагают, что в новом эксперименте NIF также достигнут саморазогрев.

"Очевидная часть научного процесса заключается в том, что вы получаете один и тот же результат", - говорит Деннис Уайт, специалист по термоядерному синтезу из Массачусетского технологического института, который также не принимал участия в исследованиях NIF. "Конечно, это очень радует".

Это немаловажно. ICF-эксперименты известны своей тонкостью. Очень тонкие изменения углов наклона лазеров, формы хольраума и гранулы, а также десятки других факторов могут кардинально изменить выходной сигнал. Декабрьский NIF едва коснулся поверхности термоядерного усиления, и очевидно, что крошечные изменения были разницей между выходом на безубыточность и отказом от него.

"Мы также повторяем эксперименты не только для того, чтобы проверить, повторяются ли они, но и для того, чтобы увидеть чувствительность", - говорит Уайт. "Видеть изменчивость и различия между экспериментами - это очень интересно".

С 1950-х годов ученые, занимающиеся термоядерным синтезом, пытались достичь того, что удалось сделать команде NIF, причем дважды за последний год. Но долгосрочная цель состоит в том, чтобы превратить эти экспериментальные попытки в чистую, дешевую и обильную энергию для людей во всем мире. Преобразование этой вехи в электростанцию - совсем другая задача, и она только начинается. Если создание усиления в лаборатории - это как научиться зажигать огонь, то использование его для выработки электроэнергии - это как построить паровоз.

"Я бы хотел, чтобы они постепенно переключили свое внимание с демонстрации зажигания и усиления на исследование конструкций мишеней, более близких к тем, которые могут быть использованы в термоядерном энергетическом реакторе", - говорит Пэсли.

Чтобы создать жизнеспособную электростанцию, NIF должен показать более высокую отдачу. В ходе декабрьского эксперимента было получено примерно в 1,5 раза больше энергии, чем вложили ученые NIF. Даже если июльский эксперимент даст в два или три раза больше энергии, NIF не сможет приблизиться к тому коэффициенту усиления, который, по мнению термоядерных ученых, необходим для создания жизнеспособной электростанции: около 100 раз.

Прирост такого масштаба также сделает термоядерный синтез реальным дополнением к большой электрической сети. Трудно преуменьшить важность достижения NIF, но на самом деле установка не генерировала больше энергии, чем получала из внешнего мира. Для питания лазера, создавшего эти 3,15 мегаджоуля, устройству потребовалось 300 мегаджоулей из калифорнийской электросети.

NIF не является оптимальным местом для выполнения этой задачи, в том числе и потому, что он был построен для поддержания запасов ядерного оружия США и не может постоянно фокусироваться на термоядерном синтезе. Но пока NIF, скорее всего, будет продолжать попытки, запуская все новые и новые лазерные выстрелы. А ученые смогут сравнивать результаты с моделированием, чтобы понять, что происходит под поверхностью.

"Мы предполагаем, что сейчас произойдет несколько десятков запусков, и мы действительно многому научимся", - говорит Уайт.