В 2020 году ученые предложили новую модель зажигания для инерционного термоядерного синтеза (ИЯС). Эта технология, представляющая собой жидкую сферу из дейтерия-трития (ДТ), заключенную в динамическую оболочку из пропитанной пены, может значительно оптимизировать процесс зажигания термоядерных реакторов. Такая методика впервые была экспериментально проверена. Это важный шаг на пути к экологически чистому, надежному и доступному производству энергии.
В течение нескольких десятилетий ученые пытаются воспроизвести ядерный синтез для питания наших электрических систем. Ядерный синтез, считающийся надежным и чистым источником энергии, представляет собой термоядерную реакцию, питающую Солнце. В конечном итоге этот источник энергии будет гораздо более доступным и нейтральным для планеты, чем большинство существующих источников.
Нынешние атомные электростанции используют энергию деления - распада тяжелых атомов на более легкие. В результате этой реакции образуются долгоживущие радиоактивные отходы, а в случае нестабильности могут произойти катастрофические аварии. Последний крупный пример - авария на АЭС "Фукусима".
В ядерном синтезе, напротив, используется энергия, выделяющаяся при соединении очень легких изотопов в тяжелые атомы. В отличие от деления, эта реакция практически не дает долгоживущих радиоактивных отходов и считается гораздо более безопасной - реакция самопроизвольно прекращается, если плазма не достигает критических порогов температуры и плотности. Еще одним существенным преимуществом является очень низкий углеродный след.
Проблемы, связанные с нестабильностью плазмы
Большинство экспериментов по ядерному синтезу основано на слиянии двух изотопов водорода: дейтерия и трития. Содержащие один и два нейтрона соответственно, эти изотопы нагреваются до очень высоких температур с образованием плазмы (состоящей из ионизированных атомов и других заряженных частиц). Подобно термоядерным реакциям на Солнце, изотопы сгорают с образованием атомов гелия.
Преимущество использования изотопов заключается в том, что их можно сплавлять при более низких температурах и плотностях, чем обычный водород. Однако стабилизация реакции представляет собой серьезную проблему для физиков.
Особенно трудно удерживать плазму в ограниченном магнитном поле очень высокой напряженности и при температурах, превышающих солнечные (сотни миллионов градусов). Плазма настолько склонна к нестабильности, что ученым никогда не удавалось поддерживать термоядерный синтез достаточно долго, чтобы извлечь больше энергии, чем было выделено для запуска реакции (в процессе, известном как зажигание). В 2022 году исследователям удалось запустить реакцию зажигания с положительным КПД, но они не смогли сделать полученную термоядерную энергию пригодной для массового потребления, особенно с технической и финансовой точек зрения.
В новом эксперименте, описанном в журнале
Более простой и менее дорогостоящий процесс
В традиционном подходе ИЯС мишень для высокоэнергетической лазерной бомбардировки состоит из небольшого количества криогенно замороженного ДТ внутри сферической оболочки. При этом термоядерное топливо удерживается инерционными силами. При контакте с лазерным лучом нагретая оболочка доводит топливо (ДТ) до экстремально высоких температур и давлений. При благоприятных условиях оболочка разрушается и воспламеняется, что приводит к слиянию изотопов.
Однако этот метод имеет ряд недостатков. Если применить его на энергопроизводящей установке, то потребуется использовать около миллиона мишеней в день. Мало того, что их производство займет много времени, так еще и криогенные процессы, обеспечивающие их изготовление, являются дорогостоящими.
Динамические оболочки производить проще и дешевле. Реакции, в которых они используются, предполагают установку жидких мишеней ДТ внутри капсул из пропитанного пенопласта. При облучении высокоэнергетическими лазерными лучами капсула расширяется, образуя тонкую оболочку, затем имплантируется и разрушается при воспламенении. Поскольку мишень жидкая, оболочка не требует криогенного процесса. Пластиковая оболочка формируется с помощью одного из самых мощных в мире лазеров OMEGA. В результате образуется оболочка с плотностью, равной плотности жидкого топлива ДТ.
Достигнув капсулы, лазер проникает в ее центр и отражается от ее внешней поверхности. Затем материал, подвергшийся удару, расширяется наружу, и давление падает под действием давления абляции лазера. В этот момент включается регулировочный удар, направленный внутрь сферы, при сохранении давления абляции. В результате этого удара аблятор и топливо сжимаются, и капсула превращается в тонкую оболочку. Затем образовавшаяся оболочка ускоряется и сжимается высокоэнергетическим формирующим лазером (OMEGA), что приводит к запуску термоядерной реакции.
Помимо простоты изготовления, динамическая оболочка не требует трубки-заполнителя и более симметрична при имплозии. Кроме того, она менее чувствительна к лазерному отпечатку и неопределенности, связанной с взаимодействием со льдом (из-за отсутствия криогенной обработки). "Сочетание этой концепции мишени с высокоэффективной лазерной системой, разрабатываемой в настоящее время в Лаборатории лазерной энергетики, откроет очень привлекательный путь к термоядерной энергии", — полагает Игуменщев.
Однако для получения термоядерных реакций, которые могут быть применены в энергетических установках, лазерные импульсы должны быть более энергичными и длинными. Тем не менее, проведенное исследование демонстрирует возможность реализации этой новой концепции.