Управляемый термоядерный синтез стал на ступень ближе
Установка на основе мощнейшего лазера позволила получить больше энергии, чем было затрачено на запуск реакции
Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса объявили в журнале Nature, что им впервые удалось построить систему термоядерного синтеза, которая вырабатывает больше энергии, чем расходует.
Возможно, это покажется небольшой победой, но фактически ученым впервые удалось воспроизвести в малых масштабах процесс выработки колоссальных количеств энергии, происходящий на Солнце и других звездах.
Для воспламенения плазмы в тесном пространстве исследователи воспользовались петаваттным лазером. В ходе эксперимента он излучал импульсы мощностью 1015 Вт и длительностью меньше 30 фемтосекунд. Лазер сближает атомы водорода, в результате чего образуются атомы гелия с выделением огромного количества энергии.
Реакция термоядерного синтеза противоположна реакции распада, применяемой в современных ядерных реакторах: при первой вместо расщепления ядер на более легкие происходит слияние с образованием более тяжелых.
«При синтезе в реакторе в любой момент времени присутствует лишь ничтожное количество ядерного топлива — обычно всего около миллиграмма», — объясняет Майк Дюнн, директор отделения энергии лазерного синтеза Ливерморской лаборатории.
Лазер National Ignition Facility (NIF) излучает 192 пучка на расстояние 274 метра, фокусирующихся на топливном элементе диаметром с карандаш. Топливная капсула для экспериментов NIF заключена в металлический корпус — хольраум. Специальные механизмы обеспечивают точное позиционирование мишени, которая охлаждается до сверхнизких температур — 18 K, чтобы упростить запуск реакции синтеза.
Несмотря на всю свою мощность, лазер NIF пока не позволяет воспламенить плазменное топливо. Когда это произойдет, должна начаться самоподдерживающаяся реакция, в ходе которой будет вырабатываться мегаджоуль энергии. Возможность получения столь огромных количеств энергии обещает решить мировые проблемы энергетики.
«Представьте себе, что топливо в камере сгорания двигателя вашего автомобиля воспламеняется сразу целиком, при этом реакция сгорания идет непрерывно, но взрыв невозможен, — поясняет Дюнн. — В случае лазерного синтеза время поджига невероятно короткое — лишь несколько десятков пикосекунд».
Эксперимент стал важной вехой на пути к достижению возможности воспламенения плазменного топлива: энергия, выработанная установкой, оказалась больше, чем энергия, затраченная на запуск реакции слияния ядер дейтерия и трития, подчеркивают ученые в Nature.
«Конечная цель наших экспериментов — воспламенение, а полученный на сегодня результат — важнейший промежуточный этап на пути к этой цели», — заявил Дюнн.
Диаметр цилиндрического хольраума с топливной капсулой всего несколько миллиметров. На концах цилиндра — отверстия для прохода луча. Сама топливная капсула размером с маленькую горошину.
Следующим этапом исследования должно стать альфа-сгорание — когда вырабатываемая энергия более чем вдвое превысит энергию, затрачиваемую на реакцию. Альфа-сгорание характеризуется прохождением определенного порога выработки энергии — 1016 реакций слияния ядер.
«Сегодня мы на несколько процентов отстаем от этого показателя», — отметил Дюнн.
Возможность воспламенения плазмы открывает путь к созданию возобновляемого, экологически чистого источника энергии, по мощности превосходящего все когда-либо созданные.
«Есть несколько возможных вариантов дальнейших действий, — указал Дюнн. — В любом случае потребуется тесное взаимодействие между индустрией и государством. Но в принципе, поскольку на постройку NIF были затрачены такие же средства, как на ядерный реактор для АЭС, нынешнее достижение не такое уж существенное».
По убеждению Дюнна, когда появится возможность получения энергии с помощью реакции управляемого синтеза, массовые попытки воспользоваться этим достижением приведут к колоссальным переменам.
«В конечном счете управляемый синтез нередко называют священным граалем источников энергии», — добавил он.