Чому термоядерне запалювання називають великим проривом — пояснює фізик-ядерник

Американські вчені оголосили про те, що вони назвали великим проривом у давно недосяжній меті створення енергії з ядерного синтезу.

13 грудня 2022 року Міністерство енергетики США заявило, що вперше — і після кількох десятиліть спроб — вченим вдалося отримати від процесу більше енергії, ніж вони мали витратити.

Але наскільки значним є розвиток? І наскільки далека довгоочікувана мрія про термоядерний синтез, що забезпечує надлишок чистої енергії? Каролін Куранц, ад’юнкт-професор ядерної інженерії Мічиганського університету, який працював на установці, яка щойно побила рекорд термоядерного синтезу, допомагає пояснити цей новий результат.

Що трапилося в термоядерній камері?

злиття це ядерна реакція, яка поєднує два атоми для створення одного або кількох нових атомів із трохи меншою загальною масою. Різниця в масі виділяється як енергія, як описано у відомому рівнянні Ейнштейна E = mc² , де енергія дорівнює масі, помноженій на квадрат швидкості світла. Оскільки швидкість світла величезна, перетворення лише невеликої кількості маси в енергію, як це відбувається під час термоядерного синтезу, виробляє таку ж величезну кількість енергії.

Дослідники уряду США Національний фонд запалювання в Каліфорнії вперше продемонстрували так званий «термоядерний запал». Займання відбувається, коли реакція термоядерного синтезу виробляє більше енергії, ніж вводиться в реакцію із зовнішнього джерела, і стає самопідтримуваною.

Техніка, використана на Національному заводі запалювання, передбачала вистрілювання 192 лазерів у a Гранули палива розміром 0.04 дюйма (1 мм). виготовлений із дейтерію та тритію — двох версій елемента водню з додатковими нейтронами — поміщений у золоту каністру. Коли лазери потрапляють на каністру, вони виробляють рентгенівське випромінювання, яке нагріває та стискає паливну таблетку приблизно до 20-кратної щільності свинцю та до понад 5 мільйонів градусів за Фаренгейтом (3 мільйони Цельсія) — приблизно в 100 разів гарячіше, ніж поверхня палива. сонце. Якщо ви зможете підтримувати ці умови протягом достатньо тривалого часу, то паливо розплавиться і виділить енергію.

Під час експерименту паливо та каністра випаровуються протягом кількох мільярдних часток секунди. Тоді дослідники сподіваються, що їх обладнання витримало спеку та точно виміряло енергію, що виділяється в результаті реакції синтезу.

Отже, чого вони досягли?

Щоб оцінити успіх експерименту з термоядерного синтезу, фізики дивляться на співвідношення між енергією, що виділяється в процесі термоядерного синтезу, та кількістю енергії всередині лазерів. Це співвідношення є називається посиленням.

Все, що перевищує одиницю, означає, що процес синтезу вивільнив більше енергії, ніж випустили лазери.

5 грудня 2022 року National Ignition Facility випустила гранулу палива з двома мільйонами джоулів лазерної енергії — приблизно стільки, скільки потрібно для роботи фена протягом 15 хвилин — і все це містилося в межах кількох мільярдних часток секунди. Це викликало реакцію термоядерного синтезу виділив три мільйони джоулів. Це приріст приблизно в 1.5 рази, що б’є попередній рекорд приросту в 0.7 досягнуто об’єктом у серпні 2021 року.

Наскільки великий цей результат?

Енергія термоядерного синтезу був «святим Граалем» виробництва енергії для майже півстоліття. Хоча приріст у 1.5, я вважаю, є справді історичним науковим проривом, попереду ще довгий шлях, перш ніж термоядерний синтез стане життєздатним джерелом енергії.

Хоча енергія лазера в 2 мільйони джоулів була меншою за вихід термоядерного синтезу в 3 мільйони джоулів, установці знадобилося майже 300 мільйонів джоулів для виробництва лазерів використаний у цьому експерименті. Цей результат показав, що запалювання термоядерним синтезом можливе, але потрібно багато працювати, щоб підвищити ефективність до точки, коли термоядерний синтез зможе забезпечити чисту позитивну віддачу енергії, беручи до уваги всю наскрізну систему, а не лише єдина взаємодія між лазерами і паливом.

Що потрібно покращити?

Є кілька частин головоломки термоядерного синтезу, які вчені неухильно вдосконалювали протягом десятиліть, щоб отримати цей результат, і подальша робота може зробити цей процес ефективнішим.

Спочатку були лише лазери винайдений у 1960 році. Коли уряд США завершив будівництво National Ignition Facility у 2009 році, це була найпотужніша лазерна установка у світі, здатна доставити один мільйон джоулів енергії до цілі. Два мільйони джоулів, які він виробляє сьогодні, у 50 разів більші за енергію Наступний за потужністю лазер на Землі. Більш потужні лазери та менш енергоємні способи виробництва цих потужних лазерів можуть значно підвищити загальну ефективність системи.

Умови синтезу є дуже складно підтримувати, і будь-який невеликі дефекти в капсулі або паливі може збільшити потребу в енергії та знизити ефективність. Вчені досягли значного прогресу в ефективніше передавати енергію від лазера до каністри і Рентгенівське випромінювання від каністри до паливної капсули, але наразі лише близько Від 10 до 30 відсотка загальної енергії лазера передається в каністру та паливо.

Нарешті, хоча одна частина палива, дейтерій, є природним багато в морській воді, тритій зустрічається набагато рідше. Fusion сам по собі виробляє тритій, тому дослідники сподіваються розробити способи безпосереднього збору цього тритію. Тим часом є інші доступні методи виробництва необхідного палива.

Ці та інші наукові, технологічні та інженерні перешкоди потрібно буде подолати, перш ніж термоядерний синтез вироблятиме електроенергію для вашого будинку. Також потрібно буде зробити роботу, щоб значно знизити вартість термоядерної електростанції 3.5 мільярда доларів США Національного заводу запалювання. Ці кроки вимагатимуть значних інвестицій як від федерального уряду, так і від приватного сектору.

Варто зазначити, що навколо термоядерного синтезу точиться глобальна гонка з багатьма іншими лабораторіями по всьому світу дотримуючись різних технік. Але з новим результатом National Ignition Facility світ вперше побачив докази того, що мрія про синтез здійсненна.

Ця стаття перевидана з Бесіда за ліцензією Creative Commons. Читати оригінал статті.

Зображення Фото: Міністерство енергетики США/Ліверморська національна лабораторія імені Лоуренса