НовостиФизика

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.

Иллюстрация лазерного луча, направленного на золотой hohlraum, содержащий алюминиевую топливную капсулу

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.

a) Две экспериментальные конфигурации hohlraum, использованные в экспериментах. Лазеры сгруппированы в четыре конуса по углам. Половина пучков входит в hohlraum через входное отверстие в верхней части мишени, а другая половина - через нижнюю. b) Клиновая диаграмма капсулы, показывающая характеристики в зависимости от радиуса. c) Показаны две представительные формы импульса лазерного пучка (сплошные линии) для экспериментов HyE и I-Raum и сравнение с измеренными температурами излучения (пунктирные линии).

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.

Подписывайтесь на нас
Back to top button