Впервые реакция ядерного синтеза приближается к порогу зажигания
Поскольку климатический вызов оказывает давление на исследования и разработку более чистых источников энергии, недавний прогресс в области ядерного синтеза является очень обнадеживающим. В рамках этих усилий исследователи из Национального центра зажигания (NIF) недавно сообщили, что им удалось достичь первой «энергоэффективной» реакции термоядерного синтеза — энергия, произведенная синтезом плазмы, была бы больше, чем энергия, поглощаемая топливом — даже близко к порогу воспламенения (момент, когда ядерная реакция становится самодостаточной). Это первый мировой опыт и ключевая веха на пути к созданию первых жизнеспособных термоядерных реакторов.
Небольшое напоминание: в отличие от ядерного деления, физического явления, которым пользуются современные электростанции, ядерный синтез заключается в том, чтобы заставить атомы соединиться вместе, как это происходит в сердце звезд, таких как Солнце, чтобы произвести очень большое количество энергии. Как и в случае с делением, полученную энергию можно рассчитать по формуле Эйнштейна E=mc².
По сравнению с реакторами деления, эффективность жизнеспособного термоядерного реактора должна быть значительно выше, и самое главное: эксплуатируемое явление намного безопаснее, поскольку оно не может «включиться» в цепную реакцию, как это может произойти при делении ядер. Не говоря уже о том, что образующиеся ядерные отходы не радиоактивны и не вызывают серьезных проблем с их утилизацией, как в случае с отработанным ядерным топливом, которое всегда радиоактивно.
Первая реакция синтеза с положительным выходом
«Этот результат является историческим достижением для исследований в области инерциального термоядерного синтеза. […] Это также является свидетельством инноваций, изобретательности, приверженности и смелости этой команды и многих исследователей в этой области, которые неустанно добивались этой цели на протяжении десятилетий«, — сказал Ким Будил, директор Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (США).
На 63-й ежегодной встрече Отдела физики плазмы APS группа исследователей под руководством Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора представила впечатляющие результаты, полученные на Национальной установке зажигания (NIF): недавно проведенная ими термоядерная реакция, как утверждается, достигла 1,3 МДж, превысив энергию, поглощенную топливом, использованным для ее запуска, и ознаменовав первый случай, когда такая реакция показала положительный выход.
«Одной из научных вех в исследованиях термоядерного синтеза на пути к воспламенению является создание« горячей плазмы. Мы говорим о горении плазмы, когда энергия, выделяемая альфа-частицами, образующимися в результате синтеза, является основным источником нагрева плазмы — это необходимый шаг для достижения воспламенения«, — говорится в пресс-релизе презентации.
Исследователи говорят, что они достигли нескольких важных вех в отношении зажигания: «Во-первых, усиление топлива, когда выход нейтронов превышает энергию дейтерий-тритиевого топлива. Во-вторых, «альфа-нагрев», когда выход нейтронов удваивается за счет дополнительной энергии, заложенной в топливе в результате остановки альфа-частиц. Теперь мы достигли состояния горящей плазмы. Мы рассмотрим новые разработки и эксперименты и сравним результаты с критериями и параметрами горящей плазмы«, — пишут они в своем заявлении. Статья, сообщающая об этих последних достижениях, уже доступна на сервере предварительной публикации arXiv и ожидает публикации в журнале Nature.
Главным достижением, однако, является тот факт, что порог воспламенения был приближен. На данный момент этот пункт заявления является несколько спорным, но принимается многими экспертами, которые отстаивают результат: «С точки зрения большинства людей, работающих в этой области, научная демонстрация процесса зажигания действительно была достигнута«, — говорит Джереми Читтенден из Имперского колледжа Лондона.
Воссоздание «крошечного солнца»
Ядерный синтез — это что-то вроде воссоздания крошечной звезды. Все начинается с заполненной топливом капсулы дейтерия и трития — более тяжелых изотопов водорода. Эта топливная капсула помещена в полую золотую камеру размером с ластик для карандашей, называемую hohlraum.
Когда топливо установлено, не менее 192 мощных лазерных лучей проецируются на hohlraum, где они преобразуются в рентгеновские лучи. Эти рентгеновские лучи имплозируют топливную капсулу, нагревая и сжимая ее в условиях, сравнимых с условиями в центре звезды, при температуре в несколько миллионов градусов Цельсия и давлении, в миллиарды раз превышающем земную атмосферу, превращая топливную капсулу в крошечный шар плазмы.
И как водород превращается в более тяжелые элементы в ядре звезды главной последовательности, так и дейтерий и тритий в топливной капсуле. Весь процесс происходит всего за несколько миллиардных долей секунды. Цель — достичь порога зажигания, т.е. момента, когда ядерная реакция начинает быть самоподдерживающейся. После этого дополнительная энергия не требуется.
В эксперименте, проведенном 8 августа 2021 года, исследователи в новом исследовании утверждают, что они достигли рекордного термоядерного синтеза на NIF, при этом мощность мгновенного термоядерного синтеза превысила 1 ПВт, и впервые достигли режима горящей плазмы, когда альфа-нагрев термоядерного топлива превышает энергию, поступающую в топливо при сжатии. Таким образом, порог воспламенения был бы очень близким (и не более), но, по мнению некоторых экспертов, этого результата достаточно, чтобы продемонстрировать, что это реалистичная цель в краткосрочной перспективе.
Считается, что этот успех стал результатом длительной работы по усовершенствованию конструкции hohlraum и самой топливной капсулы. Улучшенная точность лазера, новые диагностические инструменты и модификации общей архитектуры для увеличения скорости имплозии капсулы также внесли свой вклад.
«Достижение порогового зажигания в лаборатории остается одной из величайших научных задач нашего времени, и этот результат — значительный шаг на пути к этой цели«, — заявил в августе физик Йохан Френье из Центра плазменной науки и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института.