Мечта о термоядерная энергия приблизился к реальности в декабре 2022 года, когда исследователи из Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса (LLNL) показало, что реакция термоядерного синтеза произвела больше энергии, чем требовалось для ее запуска. Согласно новому исследованию, мгновенный подвиг слияния потребовал изысканной хореографии и тщательной подготовки, а высокая степень сложности которой указывает на долгий путь впереди, прежде чем кто-либо осмелится надеяться, что под рукой окажется реальный источник энергии.
Революционный результат был достигнут в калифорнийской лаборатории. Национальная установка зажигания (NIF), которая использует массив из 192 мощных лазеров для взрыва крошечных шариков дейтерий и тритий топливо в процессе, известном как инерционный термоядерный синтез. Это заставляет топливо взрываться, сталкивая его атомы вместе и создавая более высокие температуры и давления, чем в центре Солнца. Затем атомы сливаются вместе, выделяя огромное количество энергии.
«Это показало, что нет ничего фундаментально ограничивающего нас в возможности использовать термоядерный синтез в лаборатории». —Энни Критчер, Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса
Объект был бегаю с 2011 года, и долгое время количество энергии, выделяемой в результате этих реакций, было значительно меньше количества энергии лазера, закачиваемой в топливо. Но 5 декабря 2022 года исследователи из НИФ объявили, что наконец достигли безубыточности, генерируя в 1,5 раза больше энергии, чем необходимо для запуска реакции термоядерного синтеза.
А новая бумага опубликовано вчера в Письма о физических отзывах подтверждает утверждения команды и подробно описывает сложные инженерные решения, необходимые для того, чтобы это стало возможным. Хотя результаты подчеркивают, что предстоит значительная работа, Энни Критчер, физик из LLNL, который руководил разработкой эксперимента, говорит, что он по-прежнему является важной вехой в науке о термоядерном синтезе. «Это показало, что нет ничего фундаментально ограничивающего нас в возможности использовать термоядерный синтез в лаборатории», — говорит она.
Хотя эксперимент был охарактеризован как прорыв, Критчер говорит, что на самом деле он стал результатом кропотливых постепенных улучшений оборудования и процессов предприятия. В частности, команда потратила годы на совершенствование конструкции топливной таблетки и цилиндрического золотого контейнера, в котором она находится, известного как «полость».
Почему синтез так сложен?
Когда лазеры попадают на внешнюю поверхность этой капсулы, их энергия преобразуется в рентгеновские лучи, которые затем взрывают топливную таблетку, которая состоит из внешней алмазной оболочки, покрытой изнутри дейтериевым и тритиевым топливом. По словам Критчера, очень важно, чтобы хольраум был максимально симметричным, чтобы рентгеновские лучи равномерно распределялись по грануле. Это гарантирует, что топливо сжимается одинаково со всех сторон, что позволяет ему достичь температуры и давления, необходимых для термоядерного синтеза. «Если вы этого не сделаете, вы можете представить, что ваша плазма выбрасывается в одном направлении, и вы не сможете сжать ее и достаточно нагреть», — говорит она.
С тех пор команда провела еще шесть экспериментов: два из которых произвели примерно такое же количество энергии, как и было затрачено, и четыре, которые значительно превысили его.
По словам Критчера, также важна тщательная настройка лазерных лучей, поскольку лазерный свет может рассеиваться на хольрауме, снижая эффективность и потенциально повреждая лазерную оптику. Кроме того, как только лазер начинает попадать на капсулу, она начинает выделять шлейф плазмы, мешающий лучу. «Это гонка на время», — говорит Критчер. «Мы пытаемся доставить туда лазерный импульс до того, как это произойдет, потому что тогда вы не сможете направить лазерную энергию туда, куда вы хотите».
Процесс проектирования идет медленно, поскольку объект способен выполнять лишь несколько проектов в год, что ограничивает возможности команды по повторению. И заранее предсказать, как будут развиваться эти изменения, сложно из-за нашего плохого понимания экстремальных физических явлений. «Мы поражаем крошечную цель самым большим лазером в мире, и повсюду летает куча дерьма», — говорит Критчер. «И мы пытаемся контролировать это на очень, очень точном уровне».
Тем не менее, проанализировав результаты предыдущих экспериментов и используя компьютерное моделирование, команде удалось решить проблему. Они выяснили, что использование лазера немного большей мощности в сочетании с более толстой алмазной оболочкой вокруг топливной таблетки может преодолеть дестабилизирующее воздействие дефектов на поверхности таблетки. Более того, они обнаружили, что эти модификации могут также помочь ограничить реакцию синтеза на достаточно долгое время, чтобы она стала самоподдерживающейся. В результате эксперимента было получено 3,15 мегаджоулей, что значительно больше, чем 2,05 МДж, вырабатываемые лазерами.
С тех пор команда провела еще шесть экспериментов — два, которые произвели примерно такое же количество энергии, как было заложено, и четыре, которые значительно превысили его. По словам Критчера, последовательное достижение безубыточности — это значительный подвиг. Однако она добавляет, что исследователям необходимо учитывать значительную изменчивость количества производимой энергии.
Однако такая несогласованность неудивительна, говорит Саския Мордейкдоцент кафедры физики Колледж Уильяма и Мэри в Вирджинии. По ее словам, количество вырабатываемой энергии тесно связано с тем, насколько самоподдерживающимися являются реакции, на которые могут повлиять очень небольшие изменения в установке. Она сравнивает эту задачу с высадкой на Луну: мы знаем, как это сделать, но это настолько сложная техническая задача, что нет никакой гарантии, что вы сумеете приземлиться.
В связи с этим исследователи из Рочестерского университета Лаборатория лазерной энергетики сегодня сообщил в журнале Физика природы что они разработали термоядерную систему с инерционным удержанием, размер которой в одну сотую меньше, чем у NIF. Команда отметила, что их лазерная система мощностью 28 килоджоулей может, по крайней мере, производить больше энергии термоядерного синтеза, чем то, что содержится в центральной плазме — достижение, которое находится на пути к успеху NIF, но еще далеко. Они называют то, что разработали, «свеча зажигания«к более энергичным реакциям.
Недавно опубликованные результаты как NIF, так и LLE представляют собой шаги на пути развития, причем в обоих случаях этот путь остается долгим и сложным, если термоядерный синтез с инерционным удержанием когда-либо станет чем-то большим, чем просто исследовательская диковинка.
Помимо отмеченных выше препятствий, остается еще и множество других. Текущие расчеты сравнивают генерируемую энергию с мощностью лазера NIF, но это игнорирует тот факт, что лазеры потребляют из сети более чем в 100 раз больше энергии, чем дает любая термоядерная реакция. Это означает, что либо выигрыш в энергии, либо эффективность лазера должны быть улучшены на два порядка, чтобы выйти на уровень безубыточности в каком-либо практическом смысле. Топливные пеллеты NIF также чрезвычайно дороги, говорит Критчер, каждая из которых стоит по разной цене. ориентировочно 100 000 долларов. Тогда производство разумного количества энергии будет означать резкое увеличение частоты выстрелов NIF – подвиг, едва ли возможный на горизонте для реактора, которому требуются месяцы, чтобы загрузить следующий всплеск продолжительностью в наносекунду.
«Это самые большие проблемы», — говорит Мордейк. «Но я думаю, что если мы преодолеем их, на этом этапе будет не так уж и сложно».
ОБНОВЛЕНИЕ: 6 февраля 2024 г., 18:00 по восточноевропейскому времени: В статью были добавлены новости о новых результатах исследований Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета.
Статьи из вашего сайта
Статьи по теме в Интернете
2024-02-06 21:43:35
1707326693
#Мгновенные #прорывы #области #термоядерного #синтеза #сталкиваются #суровой #реальностью