Не сумев воспроизвести прошлогодний рекордный импульс термоядерной энергии, ученые из Национального центра зажигания США вернулись к чертежной доске. Эдвин Картлидж обсуждает свои дальнейшие шаги
Рекордный выстрел на Национальной установке зажигания в 2021 году мощностью 1.37 МДж не был воспроизведен. (Любезно предоставлено: LLNL)
8 августа прошлого года физики Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в США использовали самый большой в мире лазер для проведения рекордного эксперимента. Использование 192 балок из суммы в 3.5 миллиарда долларов Национальное средство зажигания (NIF), чтобы взорвать капсулу размером с перец горошком, содержащую дейтерий и тритий, они заставили два изотопа водорода слиться, создав самоподдерживающуюся реакцию синтеза в течение доли секунды. Поскольку этот процесс выделяет более 70% энергии, используемой для питания лазера, это открытие предполагает, что гигантские лазеры еще могут стать новым источником безопасной, чистой и практически безграничной энергии.
Этот результат поднял настроение исследователям Ливерморской лаборатории, которые уже более десяти лет боролись за значительный прогресс. Но первоначальное волнение вскоре угасло, когда несколько последующих попыток воспроизвести это достижение не увенчались успехом – в лучшем случае удалось собрать лишь половину рекордного результата. Поскольку руководство Ливермора решило провести лишь несколько повторных экспериментов, лаборатория приостановила поиски безубыточности и вместо этого попыталась выяснить, что вызывает изменения в объемах производства.
Для критиков НИФ последняя корректировка курса не стала сюрпризом, очевидно, еще раз продемонстрировав непригодность объекта в качестве испытательного полигона для надежного производства термоядерной энергии. Но многие учёные сохраняют оптимизм, а сами исследователи NIF выступили против, недавно опубликовав результат своего рекордного выстрела в Physical Review Letters, (129 075001). Они настаивают на том, что им, в конце концов, удалось достичь «воспламенения», достигнув точки, в которой нагрев от реакций синтеза перевешивает охлаждение, создавая петлю положительной обратной связи, которая быстро повышает температуру плазмы.
Омар Харрикейн, главный научный сотрудник Ливерморской термоядерной программы, утверждает, что это основанное на физике определение воспламенения – а не простое описание «энергетической безубыточности» – является тем, которое действительно имеет значение. Описывая возможное достижение безубыточности как «следующее событие в сфере связей с общественностью», он, тем не менее, говорит, что это остается важной вехой, которую он и его коллеги хотят достичь. Действительно, физики из Ливерморской лаборатории уверены, что столь обсуждаемая цель будет достигнута. Стивен Роуз в Имперском колледже Великобритании полагают, что «есть все шансы» на достижение безубыточности.
Рекордный прирост
Попытка использовать термоядерный синтез предполагает нагрев плазмы легких ядер до такой степени, что эти ядра преодолеют взаимное отталкивание и объединятся, образуя более тяжелый элемент. В результате этого процесса образуются новые частицы – в случае дейтерия и трития, ядра гелия (альфа-частицы) и нейтроны – а также огромное количество энергии. Если плазму можно поддерживать при достаточно высоких температурах и давлениях достаточно долго, альфа-частицы должны обеспечивать достаточно тепла, чтобы поддерживать реакции самостоятельно, в то время как нейтроны потенциально могут быть перехвачены для питания паровой турбины.
Термоядерные токамаки используют магнитные поля для удержания плазмы в течение довольно длительных периодов времени. NIF, как устройство «инерционного удержания», вместо этого использует экстремальные условия, создаваемые на мгновение внутри крошечного количества сильно сжатого термоядерного топлива, прежде чем оно снова расширится. Топливо помещается внутри сферической капсулы диаметром 2 мм, которая расположена в центре цилиндрического металлического «хольраума» длиной примерно 1 см и взрывается, когда точно направленные лазерные лучи NIF попадают внутрь хольраума и создают поток Рентгеновские снимки.
В отличие от токамаков, NIF не был предназначен в первую очередь для демонстрации энергии, а вместо этого служил для проверки компьютерных программ, используемых для моделирования взрывов ядерного оружия – учитывая, что США прекратили живые испытания в 1992 году. Однако после включения в 2009 году он вскоре стало очевидным, что программы, используемые для руководства его собственными операциями, недооценили связанные с этим трудности, особенно при работе с нестабильностью плазмы и создании достаточно симметричных взрывов. Поскольку NIF не достиг своей первоначальной цели по достижению воспламенения к 2012 году, Национальное управление ядерной безопасности США, которое курирует лабораторию, отложило эту задачу, чтобы сосредоточиться на трудоемкой задаче лучшего понимания динамики имплозии.
В начале 2021 года, после серии экспериментальных модификаций, Харрикейн и его коллеги наконец показали, что могут использовать лазер для создания так называемой горящей плазмы, в которой тепло от альфа-частиц превышает внешний источник энергии. Затем они внесли ряд дальнейших изменений, в том числе уменьшили входные отверстия лазера в хольрауме и снизили пиковую мощность лазера. В результате часть рентгеновской энергии переместилась на более позднюю стадию выстрела, что увеличило мощность, передаваемую ядерному топливу, — достаточно высоко, чтобы превзойти радиационные и кондуктивные потери.
В августе 2021 года исследователи NIF зафиксировали свой знаковый снимок «N210808». Горячая точка в центре топлива в данном случае имела температуру около 125 миллионов Кельвинов и энергетический выход 1.37 МДж – примерно в восемь раз выше их предыдущего лучшего результата, полученного ранее в этом году. Эта новая мощность подразумевала «целевой коэффициент усиления» 0.72 – по сравнению с выходной мощностью лазера в 1.97 МДж – и «коэффициент усиления капсулы» 5.8, если вместо этого учитывать энергию, поглощаемую капсулой.
Что еще более важно, что касается урагана, эксперимент также удовлетворял так называемому критерию воспламенения Лоусона. Впервые предложенный инженером и физиком Джоном Лоусоном в 1955 году, он определяет условия, при которых самонагревание при термоядерном синтезе будет превышать энергию, теряемую за счет проводимости и излучения. Харрикейн утверждает, что результаты NIF удовлетворяют девяти различным формулировкам критерия термоядерного синтеза с инерционным удержанием, тем самым демонстрируя воспламенение «без двусмысленности».
Три выстрела и ты вылетаешь
После рекордного выстрела Харрикейн и некоторые из его коллег-ученых из NIF захотели повторить их успех. Но руководство лаборатории не проявило такого энтузиазма. В соответствии с Марк Херрманн, тогдашнего заместителя директора Ливермора по фундаментальной физике оружия, после N210808 было создано несколько рабочих групп для оценки следующих шагов. Он говорит, что команда менеджеров, состоящая примерно из 10 экспертов по инерционному удержанию, объединила эти выводы и разработала план, который представила в сентябре.
Херрманн говорит, что план состоял из трех частей: попытка воспроизвести N210808; анализ условий эксперимента, позволивших сделать рекордный выстрел; и пытаются получить «высокие мегаджоульные выходы». Обсуждение первого пункта включало в себя то, что Херрманн описывает как «большое разнообразие мнений» среди примерно 100 ученых, работающих над программой термоядерного синтеза. В конце концов, учитывая «ограниченные ресурсы» и ограниченное количество мишеней в партии, содержащей N210808, по его словам, команда менеджеров остановилась всего на трех дополнительных выстрелах.
У Харрикейна несколько иные воспоминания: он утверждает, что повторений было четыре. Эти эксперименты, по его словам, проводились в течение примерно трех месяцев и позволили получить урожайность от менее одной пятой до примерно половины от того, что было достигнуто в августе. Но он утверждает, что эти снимки все же были «очень хорошими экспериментами», добавляя, что они также удовлетворяют некоторым формулировкам критерия Лоусона. Разница в производительности, по его словам, «не такая бинарная, как представляют люди».
Процесс плазменного покрытия — это рецепт, поэтому, как и в случае с выпечкой хлеба, он не всегда получается одинаковым.
Омар Ураган
Что касается того, что вызвало такое огромное изменение производительности, Херрманн говорит, что основная гипотеза — это пустоты и углубления в топливных капсулах, которые изготовлены из промышленного алмаза. Он объясняет, что эти недостатки могут усилиться в процессе имплозии, в результате чего алмаз попадет в горячую точку. Учитывая, что углерод имеет более высокий атомный номер, чем дейтерий или тритий, он может излучать гораздо эффективнее, что охлаждает горячую точку и снижает производительность.
Харрикейн согласен с тем, что ромб, вероятно, играет важную роль в изменении результативности от выстрела к выстрелу. Указывая на то, что следует ожидать больших изменений в производительности, учитывая нелинейность имплозий NIF, он говорит, что участвующие ученые не до конца понимают процесс плазменного нанесения покрытия, используемый при изготовлении капсул. «Это рецепт, — говорит он, — так что, как и при выпечке хлеба, он не каждый раз получается одинаковым».
Путь к термоядерной энергетике
Харрикейн сообщает, что в настоящее время команда изучает несколько способов увеличения производительности NIF в дополнение к улучшению качества капсул. К ним относятся изменение толщины капсулы, изменение размера или геометрии хольраума или, возможно, увеличение энергии лазерного импульса примерно до 2.1 МДж, чтобы снизить точность, необходимую для достижения цели. Он говорит, что не существует «волшебного числа», когда дело касается целевого прироста, но добавляет, что чем выше прирост, тем больше пространство параметров, которое можно изучить при управлении запасами. Он также отмечает, что коэффициент усиления 1 не означает, что установка генерирует чистую энергию, учитывая, как мало поступающей электрической энергии лазер преобразует в свет на цели – в случае NIF менее 1%.
Долгий путь к воспламенению
Майкл Кэмпбелл из Университета Рочестера в США считают, что NIF может достичь прироста как минимум в 1 «в течение следующих 2–5 лет» при условии адекватного улучшения холраума и целевого показателя. Но он утверждает, что для достижения коммерчески значимого выигрыша в 50–100, вероятно, потребуется переход от «непрямого привода» NIF, который генерирует рентгеновские лучи для сжатия цели, к потенциально более эффективному, но более сложному «прямому приводу», основанному на само лазерное излучение.
Несмотря на то, что, вероятно, потребуются несколько миллиардов долларов, Кэмпбелл надеется, что подходящий объект с прямым приводом сможет продемонстрировать такие выгоды к концу 2030-х годов – особенно, по его словам, если будет задействован частный сектор. Но он предупреждает, что коммерческие электростанции, вероятно, начнут работать не раньше середины века. «Энергия термоядерного синтеза рассчитана на долгосрочную перспективу, — говорит он. — Я думаю, что люди должны реалистично относиться к проблемам».
