Після невдалої спроби відтворити торішній рекордний удар термоядерної енергії вчені з Національного запалювального заводу США повернулися до креслярської дошки. Едвін Картлідж обговорює їхні подальші дії
Рекордний постріл у National Ignition Facility у 2021 році, який дав 1.37 МДж, не був відтворений. (З дозволу: LLNL)
8 серпня минулого року фізики Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса в США за допомогою найбільшого у світі лазера провели рекордний експеримент. Використовуючи 192 балки вартістю 3.5 млрд дол Національний фонд запалювання (NIF), щоб розірвати капсулу розміром з горошину перцю, що містить дейтерій і тритій, вони спричинили злиття двох ізотопів водню, викликавши самопідтримувану реакцію синтезу протягом частки секунди. Оскільки цей процес виділяє понад 70% енергії, яка використовується для живлення лазера, відкриття свідчить про те, що гігантські лазери все ж можуть створити нове джерело безпечної, чистої та фактично безмежної енергії.
Результат створив святковий настрій дослідників Ліверморської лабораторії, які більше десяти років намагалися досягти значного прогресу. Але початкове хвилювання незабаром зникло, коли кілька наступних спроб відтворити досягнення не вдалися – було зібрано лише половину рекордного результату. У зв’язку з тим, що керівництво Лівермора вирішило провести лише декілька повторних експериментів, лабораторія призупинила пошуки беззбитковості й натомість спробувала з’ясувати, що спричиняло варіацію у виході.
Для критиків NIF остання корекція курсу не стала несподіванкою, очевидно, ще раз продемонструвавши непридатність об’єкта як випробувального стенду для надійного виробництва енергії термоядерного синтезу. Але багато вчених залишаються оптимістичними, і дослідники NIF самі вийшли на боротьбу, нещодавно опублікувавши результати свого рекордного знімка в Physical Review Letters, (129 075001). Вони наполягають на тому, що врешті-решт досягли «займання», досягнувши точки, коли нагрівання від реакцій термоядерного синтезу переважує охолодження, створюючи позитивну петлю зворотного зв’язку, яка швидко підвищує температуру плазми.
Омар Харрикейн, головний науковий співробітник програми термоядерного синтезу Лівермора, стверджує, що це засноване на фізиці визначення займання, а не простий опис «енергетичної беззбитковості», є тим, що дійсно має значення. Описуючи можливе досягнення беззбитковості як «наступну подію зі зв’язків з громадськістю», він, тим не менш, каже, що це залишається важливою віхою, якої він і його колеги хочуть досягти. Дійсно, фізики з-за меж Ліверморської лабораторії впевнені, що обговорювана ціль буде вражена. Стівен Роуз в Імперському коледжі у Великій Британії вважає, що «є всі перспективи» досягнення беззбитковості.
Рекордний приріст
Спроба здійснити термоядерний синтез передбачає нагрівання плазми легких ядер до точки, коли ці ядра долають взаємне відштовхування й об’єднуються, утворюючи важчий елемент. Процес дає нові частинки – у випадку дейтерію та тритію, ядра гелію (альфа-частинки) і нейтрони – а також величезну кількість енергії. Якщо плазму можна підтримувати при належно високих температурах і тисках досить довго, альфа-частинки повинні виділяти достатньо тепла, щоб підтримувати реакцію самостійно, тоді як нейтрони потенційно можуть бути перехоплені для живлення парової турбіни.
Термоядерні токамаки використовують магнітні поля для утримання плазми протягом досить тривалого часу. NIF, як пристрій «інерційного утримання», натомість використовує екстремальні умови, створені для швидкоплинного моменту всередині крихітної кількості сильно стисненого термоядерного палива, перш ніж воно знову розшириться. Паливо поміщається всередину сферичної капсули діаметром 2 мм, яка розташована в центрі циліндричного металевого «гольраума» довжиною приблизно 1 см і вибухає, коли точно спрямовані лазерні промені NIF потрапляють всередину гольраума та створюють потік рентгенівські промені.
На відміну від токамаків, NIF не був розроблений головним чином для демонстрації енергії, а натомість служив для перевірки комп’ютерних програм, які використовуються для імітації вибухів ядерної зброї – враховуючи, що США припинили випробування в реальному часі в 1992 році. Однак після ввімкнення в 2009 році він незабаром стало очевидним, що програми, які використовувалися для керівництва його власними операціями, недооцінили труднощі, пов’язані з цим, зокрема, коли мали справу з нестабільністю плазми та створенням належним чином симетричних вибухів. У зв’язку з тим, що NIF не досягла початкової мети досягти займання до 2012 року, Національне управління ядерної безпеки США, яке контролює лабораторію, відклало цю мету, щоб зосередитися на трудомісткому завданні кращого розуміння динаміки імплозії.
На початку 2021 року після серії експериментальних модифікацій Hurricane і його колеги нарешті показали, що вони можуть використовувати лазер для створення так званої палаючої плазми, в якій тепло від альфа-частинок перевищує зовнішнє джерело енергії. Потім вони зробили низку додаткових налаштувань, зокрема зменшили вхідні отвори лазера hohlraum і знизили пікову потужність лазера. Ефект полягав у тому, щоб частина енергії рентгенівського випромінювання була переміщена на більш пізню частину пострілу, що підвищило потужність, що передається ядерному паливу, підштовхнувши її настільки високо, щоб випередити радіаційні та кондуктивні втрати.
У серпні 2021 року дослідники NIF записали свій знаковий знімок «N210808». У цьому випадку гаряча точка в центрі палива мала температуру близько 125 мільйонів Кельвінів і вихід енергії 1.37 МДж – приблизно у вісім разів вище, ніж попередній найкращий результат, отриманий на початку року. Ця нова продуктивність передбачала «цільовий приріст» 0.72 — у порівнянні з вихідною потужністю лазера 1.97 МДж — і «приріст капсули» 5.8, якщо врахувати енергію, поглинену капсулою.
Що ще важливіше, що стосується Hurricane, експеримент також задовольняв так званий критерій Лоусона для займання. Вперше викладений інженером і фізиком Джоном Лоусоном у 1955 році, він визначає умови, за яких термоядерний самонагрівання перевищить енергію, втрачену через провідність і випромінювання. Hurricane стверджує, що результати NIF задовольнили дев’ять різних формулювань критерію термоядерного синтезу з інерційним утриманням, таким чином продемонструвавши запалювання «без двозначності».
Три постріли, і ви вийшли
Після рекордного знімка Харрикейн і деякі його колеги-вчені з NIF прагнули повторити свій успіх. Але у керівництва лабораторії не було такого ентузіазму. Відповідно до Марк Херрманн, тодішнього заступника директора Лівермора з фундаментальної фізики зброї, після N210808 було створено кілька робочих груп для оцінки наступних кроків. Він каже, що команда керівництва, що складається з приблизно 10 експертів з інерційного утримання, об’єднала ці висновки та склала план, який представила у вересні.
Геррманн каже, що план містив три частини – спроба відтворити N210808; аналіз умов експерименту, які дозволили здійснити рекордний постріл; і намагаючись отримати «стабільні мегаджоульні врожаї». Обговорення першого пункту включало те, що Геррманн описує як «велике розмаїття думок» серед приблизно 100 вчених, які працюють над програмою термоядерного синтезу. Зрештою, враховуючи «обмежені ресурси» та обмежену кількість цілей у партії, що містить N210808, він каже, що команда керівництва зупинилася лише на трьох додаткових пострілах.
У Hurricane дещо інші спогади, кажучи, що було чотири повторення. Ці експерименти, за його словами, проводилися протягом приблизно трьох місяців і досягли врожайності, яка коливалася від менш ніж п’ятої до приблизно половини врожаю, досягнутого в серпні. Але він стверджує, що ці знімки все ще були «дуже хорошими експериментами», додавши, що вони також задовольняли деяким формулюванням критерію Лоусона. Різниця в продуктивності, за його словами, «не така подвійна, як люди зображують».
Процес плазмового покриття — це рецепт, тому так само, як і випікання хліба, він не виходить кожного разу однаковим
Ураган Омар
Стосовно того, що спричинило таку величезну варіацію виходу, Геррманн каже, що головною гіпотезою є порожнечі та щілини в паливних капсулах, виготовлених із промислового алмазу. Він пояснює, що ці недоліки можуть посилюватися під час процесу імплозії, в результаті чого алмаз потрапляє в гарячу точку. Оскільки вуглець має вищий атомний номер, ніж дейтерій або тритій, він може випромінювати набагато ефективніше, що охолоджує гарячу точку та знижує продуктивність.
Hurricane погоджується, що алмаз, ймовірно, відіграє важливу роль у зміні продуктивності від пострілу до пострілу. Вказуючи на те, що слід очікувати великих варіацій у виході, враховуючи нелінійність імплозій NIF, він каже, що залучені вчені не повністю розуміють процес плазмового покриття, який використовується під час виготовлення капсул. «Це рецепт, — каже він, — так само, як і випікання хліба, він не завжди виходить однаковим».
Шлях до термоядерної енергії
Hurricane каже, що команда зараз досліджує кілька способів збільшити продуктивність NIF на додаток до покращення якості капсул. Вони включають зміну товщини капсули, зміну розміру або геометрії гольраума або, можливо, збільшення енергії лазерного імпульсу приблизно до 2.1 МДж, щоб знизити точність, необхідну для цілі. Він каже, що «магічного числа» немає, коли йдеться про цільовий приріст, але додає, що чим вищий приріст, тим більший простір параметрів можна досліджувати під час управління запасами. Він також зазначає, що приріст 1 не означає, що об’єкт генерує чисту енергію, враховуючи, як мало вхідної електричної енергії лазер перетворює на світло на цілі – у випадку NIF менше 1%.
Довгий шлях до запалювання
Майкл Кемпбелл з Рочестерського університету у США вважають, що NIF може досягти приросту принаймні на 1 «протягом наступних 2–5 років» за умови відповідних покращень у hohlraum і target. Але він стверджує, що отримання комерційно значущого приросту 50–100, ймовірно, вимагатиме переходу від «непрямого приводу» NIF, який генерує рентгенівське випромінювання для стиснення цілі, до потенційно ефективнішого, але складнішого «прямого приводу», який спирається на саме лазерне випромінювання.
Незважаючи на кілька мільярдів доларів, які, ймовірно, знадобляться, Кемпбелл оптимістично налаштований, що відповідний об’єкт з прямим приводом зможе продемонструвати такі прибутки до кінця 2030-х років – особливо, за його словами, якщо залучити приватний сектор. Але він попереджає, що комерційні електростанції, ймовірно, не запрацюють принаймні до середини століття. «Енергія термоядерного синтезу — це довгострокова перспектива, — каже він, — я думаю, що люди повинні реалістично оцінювати виклики».
