Американские ученые объявили о том, что они назвали крупным прорывом в долго неуловимой цели получения энергии из ядерного синтеза.
Министерство энергетики США заявило 13 декабря 2022 года, что впервые — и после нескольких десятилетий попыток — ученым удалось получить из процесса больше энергии, чем они должны были вложить.
Но насколько значительным является развитие? И насколько далека долгожданная мечта о синтезе, обеспечивающем обильную чистую энергию? Кэролайн Куранц, адъюнкт-профессор ядерной инженерии в Мичиганском университете, который работал на установке, которая только что побила рекорд термоядерного синтеза, помогает объяснить этот новый результат.
Что произошло в термоядерной камере?
Fusion это ядерная реакция, которая объединяет два атома для создания одного или нескольких новых атомов с немного меньшей общей массой. Разница в массе высвобождается в виде энергии, как описано знаменитым уравнением Эйнштейна E = mc.2 , где энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света. Поскольку скорость света огромна, преобразование всего небольшого количества массы в энергию — как это происходит при термоядерном синтезе — производит такое же огромное количество энергии.
Исследователи из правительства США Национальное средство зажигания в Калифорнии впервые продемонстрировали то, что известно как «термоядерное зажигание». Воспламенение - это когда реакция синтеза производит больше энергии, чем вкладывается в реакцию из внешнего источника, и становится самоподдерживающейся.
Техника, используемая в Национальном центре зажигания, включала запуск 192 лазеров в одну точку. Топливная таблетка размером 0.04 дюйма (1 мм) сделанный из дейтерия и трития — двух версий элемента водорода с дополнительными нейтронами — помещенный в золотую канистру. Когда лазеры попадают в канистру, они испускают рентгеновские лучи, которые нагревают и сжимают топливную таблетку примерно в 20 раз по плотности свинца и более чем до 5 миллионов градусов по Фаренгейту (3 миллиона по Цельсию) — примерно в 100 раз горячее, чем поверхность баллона. солнце. Если вы сможете поддерживать эти условия в течение достаточно долгого времени, топливо расплавится и выделит энергию.
Топливо и канистра испаряются в течение нескольких миллиардных долей секунды во время эксперимента. Затем исследователи надеются, что их оборудование выдержало жару и точно измерило энергию, выделяемую в результате реакции синтеза.
Так чего же они добились?
Чтобы оценить успех термоядерного эксперимента, физики смотрят на соотношение между энергией, высвобождаемой в процессе синтеза, и количеством энергии в лазерах. Это соотношение называется прибылью.
Все, что превышает единицу, означает, что в процессе синтеза выделяется больше энергии, чем доставляют лазеры.
5 декабря 2022 года Национальная организация по воспламенению выстрелила топливной таблеткой с лазерной энергией в два миллиона джоулей — примерно столько энергии требуется для работы фена на 15 минут — и все это в течение нескольких миллиардных долей секунды. Это вызвало реакцию синтеза, которая высвобождается три миллиона джоулей. Это прирост примерно в 1.5 раза, побив предыдущий рекорд прироста в XNUMX раза. 0.7 достигнуто предприятием в августе 2021 г..
Насколько важен этот результат?
Термоядерная энергия был «Святым Граалем» производства энергии для почти полвека. Я считаю, что увеличение в 1.5 раза является поистине историческим научным прорывом, но до того, как термоядерный синтез станет жизнеспособным источником энергии, еще далеко.
Хотя энергия лазера в 2 миллиона джоулей была меньше мощности термоядерного синтеза в 3 миллиона джоулей, установка заняла почти 300 миллионов джоулей для производства лазеров используется в этом эксперименте. Этот результат показал, что термоядерное зажигание возможно, но потребуется много работы, чтобы повысить эффективность до такой степени, что термоядерный синтез сможет обеспечить чистую положительную отдачу энергии, принимая во внимание всю сквозную систему, а не только ее часть. однократное взаимодействие лазеров с горючим.
Что нужно улучшить?
Есть несколько частей головоломки термоядерного синтеза, которые ученые неуклонно улучшали в течение десятилетий, чтобы получить этот результат, и дальнейшая работа может сделать этот процесс более эффективным.
Сначала лазеры были только изобретен в 1960. Когда правительство США завершено строительство Национальной установки зажигания в 2009 г., это была самая мощная лазерная установка в мире, способная доставлять один миллион джоулей энергии на цель. Два миллиона джоулей, которые он производит сегодня, в 50 раз мощнее, чем следующий самый мощный лазер на Земле. Более мощные лазеры и менее энергоемкие способы производства этих мощных лазеров могут значительно повысить общую эффективность системы.
Условия слияния очень сложно выдержать, и любой небольшой дефект в капсуле или топливе может увеличить потребность в энергии и снизить эффективность. Ученые добились больших успехов в более эффективно передавать энергию от лазера к канистре и Рентгеновское излучение от канистры к топливной капсуле, но в настоящее время только около 10 в 30 процентов полной лазерной энергии передается канистре и топливу.
Наконец, хотя одна часть топлива, дейтерий, естественно много в морской воде, тритий гораздо реже. Сам Fusion фактически производит тритий, поэтому исследователи надеются разработать способы прямого сбора этого трития. Между тем, есть другие методы, доступные для производства необходимого топлива.
Эти и другие научные, технологические и инженерные препятствия необходимо будет преодолеть, прежде чем термоядерный синтез будет производить электричество для вашего дома. Также необходимо будет проделать работу, чтобы значительно снизить стоимость термоядерной электростанции. 3.5 миллиарда долларов США Национального фонда зажигания. Эти шаги потребуют значительных инвестиций как со стороны федерального правительства, так и со стороны частного сектора.
Стоит отметить, что вокруг синтеза идет глобальная гонка со многими другими лабораториями по всему миру. занимаюсь разными техниками. Но с новым результатом от National Ignition Facility мир впервые увидел доказательства того, что мечта о слиянии достижима.
Эта статья переиздана из Беседа под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.
Изображение Фото: Министерство энергетики США/Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса
