Прорыв в области магнитных полей: энергия ядерного синтеза скоро станет доступной?
Недавно американские исследователи из National Ignition Facility продемонстрировали, что усовершенствование магнитных полей втрое увеличило выход чистой энергии в одном из их термоядерных экспериментов.
Национальная установка зажигания (NIF) размером со спортивный стадион. Уникальная энергия и мощность NIF открывает новые рубежи науки и закладывает основу для создания чистого и устойчивого источника энергии.
NIF — самая точная лазерная система в мире. Она точно направляет, усиливает, отражает и фокусирует 192 мощных лазерных луча в цель размером с карандашный ластик за несколько миллиардных долей секунды, обеспечивая более 2 миллионов джоулей ультрафиолетовой энергии и 500 триллионов ватт мощности.
NIF создает температуру около 100 миллионов градусов Цельсия и давление более 100 миллиардов земных атмосфер. Эти экстремальные условия приводят к тому, что атомы водорода в мишени сплавляются и высвобождают энергию в контролируемой термоядерной реакции.
Поэтому ядерный синтез может стать чистым источником энергии без образования радиоактивных отходов и выбросов парниковых газов. Более того, изотопы водорода, используемые для термоядерного синтеза, встречаются на Земле в больших количествах и постоянно. Но одна из технологических проблем заключается в том, чтобы поддерживать достаточно высокую температуру топлива в течение достаточно длительного времени.
Недавно исследователи NIF показали, что магнитное поле усиливает «нагрев», позволяя вырабатывать гораздо больше энергии, в методе, называемом инерциальным термоядерным синтезом (ICF), где ядерная реакция инициируется лазерами. Их открытие опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Инерционный термоядерный синтез
Краткое напоминание об инерционном термоядерном синтезе, как он реализован в исследовании. Инерционный термоядерный синтез заключается в использовании лазерных лучей для передачи достаточной энергии очень небольшому количеству дейтерия и трития, содержащихся в капсуле диаметром несколько миллиметров. Эта капсула, или мишень, очень сильно сжимается, чтобы нагреть ее и довести до очень высокой плотности. Затем материал ионизируется и образует плазму.
Существует две схемы инерционного термоядерного синтеза. Так называемая схема прямой атаки заключается в непосредственном воздействии лазерных лучей на капсулу, состоящую из изотопов водорода. Другая схема заключается в помещении капсулы в металлический цилиндр сантиметровой длины. Этот цилиндр имеет два входных отверстия для лазерных лучей. Лазерные лучи попадают на внутренние поверхности цилиндра, нагревая металл и излучая рентгеновские лучи. Эти рентгеновские лучи сжимают капсулу, вызывая реакцию синтеза. Именно эта схема инерциального термоядерного синтеза используется в NIF.
Магнетизм — ключ к зажиганию?
В 2012 году, как отмечается в соответствующей статье в журнале Physics, исследователи из лазерной установки OMEGA Рочестерского университета в Нью-Йорке продемонстрировали, что магнитное поле значительно изменяет тепловой поток в топливе, нагретом лазером. Поле, по сути, обеспечивает изоляцию вокруг самой горячей области топлива, предлагая способ улучшить нагрев и, возможно, выход реакции.
Джон Муди, сотрудник Национального центра зажигания (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) в Калифорнии и ведущий автор проекта, объясняет: «Это как толстый рукав из пенопласта, который сохраняет кофе горячим, не обжигая руку».
В присутствии магнитного поля электроны в плазме вынуждены двигаться по спиральным траекториям вдоль линий магнитного поля, реже сталкиваясь друг с другом. Такое поведение замедляет поток тепла к более холодному окружающему топливу и обеспечивает дополнительное тепло в горячей точке, приближая нас к уровню, необходимому для самоподдерживающегося зажигания в плазме.
NIF уже довел свои эксперименты до грани воспламенения. Выход энергии, достигнутый в ходе этих экспериментов, полностью компенсируется энергией, необходимой для этих самоподдерживающихся реакций в плазме. Тем не менее, достижение зажигания является важным шагом на пути к созданию в конечном итоге «равновесной» системы, которая производит больше энергии на выходе, чем на входе.
Незначительные изменения для достижения значительных результатов
Термоядерные эксперименты настолько сложны, что даже самые незначительные изменения в их конфигурации могут иметь большие последствия. Именно поэтому исследователи использовали компьютерное моделирование для изучения потенциальных преимуществ намагничивания для производительности NIF.
Традиционно они используют топливную капсулу, расположенную внутри золотого цилиндра. Но добавление сильного магнитного поля создаст электрические токи в стенках цилиндра, которые разрушат его. Чтобы обойти эту проблему, Муди и его коллеги экспериментировали со сплавами, чтобы создать металлический цилиндр с низкой электропроводностью. Они обнаружили, что сплав золота и тантала может выдерживать высокое магнитное поле.
На практике они разработали свой эксперимент с намагниченностью, намотав катушку вокруг версии цилиндра из этого сплава, содержащего топливную капсулу, заполненную чистым дейтерием. Затем они применили магнитное поле в 26 Тесла, пропустив ток через катушку непосредственно перед включением лазеров.
В результате горячая точка на NIF оказалась на 40% горячее и произвела более чем в три раза больше энергии, чем в предыдущих экспериментах, что является даже лучшим результатом, чем ожидалось. По словам Паскаля Луазо, физика плазмы из Французской комиссии по альтернативным источникам энергии и атомной энергии (CEA), эти результаты «замечательны» и представляют собой доказательство концепции магнитной помощи на NIF.
В целях безопасности этот эксперимент был проведен с упрощенной конфигурацией, в частности, с использованием только дейтерия и умеренной мощностью лазера. В будущих экспериментах с более высокой мощностью, в которых используются две формы водорода (дейтерий и тритий), Муди ожидает второй эффект, который увеличит производительность. Высокоэнергетические частицы, образующиеся в ядерных реакциях, будут задерживаться линиями поля. Эти заряженные частицы будут проводить больше времени, накапливая энергию в горячей точке, обеспечивая больше тепла, прежде чем покинуть ее.
Таким образом, эти результаты позволяют предположить, что магниты могут сыграть ключевую роль в развитии этой футуристической формы энергии, которая теоретически может обеспечить практически неограниченный запас чистой энергии.