Физики работают на установке лазерного термоядерного синтеза в США. объявили о первом в мире – генерация большего количества энергии в результате управляемой реакции ядерного синтеза, чем необходимо для обеспечения реакции. Они добились этого, используя $3.5 млрд. Национальное средство зажигания (NIF) — лазерная система размером с футбольный стадион, Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса (LLNL) в Калифорнии. Лазерный выстрел, произведенный 5 декабря, высвободил 3.15 миллиона Джоулей (МДж) энергии из крошечной гранулы, содержащей два изотопа водорода – по сравнению с 2.05 МДж, которые эти лазеры доставили к цели.
Выступая вчера на пресс-конференции в Вашингтоне, округ Колумбия, организованной Министерство энергетики Чтобы объявить о достижении, Марк Херрманн, глава отдела физики и дизайна оружия в LLNL, отметил, что прорыв имеет двойное значение. Хотя в ближайшем будущем это должно улучшить способность США контролировать свои запасы ядерного оружия без испытаний — основная цель NIF — в долгосрочной перспективе это может привести к новой чистой, устойчивой форме энергии. Результат, по его словам, очень взволновал его коллег.
Для Майкла Кэмпбелла из Университета Рочестера в США превышение «энергетической безубыточности» — цель ученых на протяжении десятилетий — представляет собой «момент братьев Райт» для исследований термоядерного синтеза. Стивен Роуз из Имперского колледжа Лондона утверждает, что результат «убедительно показывает, что инерционный синтез работает в масштабе мегаджоулей».
«Что-то большое»
NIF запускает реакции синтеза, направляя почти 200 мощных лазерных лучей внутрь полого металлического цилиндра длиной 1 см. Интенсивные рентгеновские лучи, генерируемые в процессе, сходятся на сферической капсуле диаметром 2 мм, помещенной в середину цилиндра, содержащего дейтерий и тритий. Когда внешняя часть капсулы отрывается, дейтерий и тритий вытесняются внутрь и на короткое время испытывают огромные давления и температуры — достаточно высокие, чтобы ядра преодолевали взаимное отталкивание и сливались, выделяя тепло, ядра гелия и нейтроны.
Включив NIF в 2009 году, исследователи изначально предполагали достичь безубыточности (или «зажигания», как часто называют веху) через три года. Но проблемы, вызванные нестабильностью плазмы, образующейся во время синтеза, и асимметрией при взрывах капсул ограничивали мощность термоядерного синтеза.
Чтобы добраться до этой точки, потребовалось 10 лет пошагового решения проблем.
Омар Ураган
До начала 2021 года ученым потребовалось достаточное понимание имплозии, чтобы они могли создать «горящую плазму» и генерировать больше тепла из ядер гелия, чем было выделено лазером. Позже в том же году они, наконец, получили самоподдерживающуюся реакцию синтеза, в которой генерируемое тепло превосходило потери из-за охлаждения, достигая выхода энергии 1.37 МДж.
Физик LLNL Энни Критчер говорит, что последний результат был достигнут за счет небольшого увеличения энергии лазера — примерно на 8% по сравнению с 1.92 МДж, использовавшейся в прошлом году — при этом капсулы стали немного толще и, следовательно, немного более устойчивыми к дефектам. Кроме того, они улучшили симметрию имплозии за счет передачи энергии между лазерными лучами в процессе синтеза.
Коллега Критчера Алекс Зилстра отметил, что рекордный выстрел был сделан сразу после часа ночи по местному времени 1 декабря. Выстрел произвел большое количество нейтронов, предполагая, что «произошло что-то большое», как выразился директор лаборатории Ким Будил. Тем не менее, добавляет Будил, было проведено множество других измерений, чтобы подтвердить беспрецедентный улов, и группа независимых экспертов была приглашена для экспертной оценки результатов до того, как они были объявлены вчера.
Десятилетний «тяжелый труд»
По словам Омара Харрикейна, главного научного сотрудника ливерморской термоядерной программы, не было никаких сомнений в том, что безубыточность будет достигнута, учитывая наблюдение горящей плазмы пару лет назад. Единственный вопрос для него заключался в том, когда именно произойдет ориентир. «Потребовалось 10 лет поэтапного решения проблем, чтобы добраться до этой точки», — сказал он. Мир физики. «Десять лет кажутся долгими, но на самом деле я думаю, что это относительно короткий срок для такой сложной научной задачи».
Веха в области лазерного термоядерного синтеза National Ignition Facility вызывает споры
Что касается того, где последний результат оставляет инерционный синтез по сравнению с конкурирующей схемой, которая опирается на магниты для удержания плазмы в течение относительно длительных периодов времени (как будет использоваться в ИТЭР во Франции), Тэмми Ма из Ливермора говорит, что оба подхода имеют свои «за и минусы». Хотя магнитное удержание еще не достигло безубыточности, она говорит, что оно более продвинуто, когда дело доходит до развития технологий. Действительно, она указывает, что NIF не был разработан для демонстрации практической энергии термоядерного синтеза, поскольку он потребляет около 300 МДж электроэнергии на каждый лазерный выстрел мощностью 2 МДж.
И Ма, и Кэмпбелл считают, что есть много возможностей для улучшения. В то время как технология NIF эпохи 1990-х годов имеет КПД всего 0.5%, Кэмпбелл говорит, что современные лазеры могут достигать 20%. Он утверждает, что в сочетании с дальнейшими улучшениями в увеличении энергии цели инерционный синтез может стать коммерческой реальностью. Но он считает, что до этого еще, вероятно, несколько десятилетий, и сначала необходимо преодолеть «многие проблемы».
