Каліфорнійські вчені наблизилися до мрії створення термоядерної електростанції без радіоактивних речовин

Каліфорнійські вчені наблизилися до мрії створення термоядерної електростанції.

Протягом 7 десятиліть вчені з термоядерного синтезу переслідували цю недосяжну мету, відому як отримання енергії. О першій годині ночі 5 грудня дослідники з Національного запалювального заводу (NIF) у Каліфорнії нарешті зробили це, сфокусувавши 2,05 мегаджоуля лазерного світла на крихітну капсулу з термоядерним паливом і викликавши вибух, який створив 3,15 МДж енергії, що еквівалентно приблизно три палиці динаміту.Про це пише Science.

«Це надзвичайно захоплююче, це великий прорив», — каже Енн Вайт, фізик плазми з Массачусетського технологічного інституту, яка не брала участі в роботі.

Марк Геррманн, який очолює NIF як програмний директор з фізики та дизайну зброї в Ліверморській національній лабораторії імені Лоуренса, каже, що це «чудово», додаючи: «Я так пишаюся командою».

Результат, оголошений сьогодні офіційними особами Міністерства енергетики США (DOE), є пострілом у руку для дослідників термоядерного синтезу, яких протягом тривалого часу критикували за надто багатообіцяючі та недостатні результати. Термоядерний синтез дає спокусливу обіцянку великої кількості безвуглецевої енергії без багатьох радіоактивних головних болів ядерної енергетики, що керується поділом. Але щоб злити іони водню в гелій і вивільнити енергію, потрібні температури в мільйони градусів Цельсія — умови, яких важко досягти і підтримувати. Результат NIF показує, що це можливо, принаймні на частку секунди. «Три МДж – це дуже багато енергії. Це показує, що щось працює», — каже фізик плазми Стівен Роуз з Імперського коледжу Лондона.

Незважаючи на фанфари, термоядерні електростанції все ще залишаються далекою мрією. NIF ніколи не створювався для комерційного виробництва енергії. Його головна функція полягає у створенні мініатюрних термоядерних вибухів і наданні даних для забезпечення безпеки та надійності арсеналу ядерної зброї США. Багато дослідників вважають, що токамаки, подібні до печі, є кращою конструкцією для комерційної енергетики, оскільки вони можуть підтримувати довші «горіння» термоядерного синтезу. У токамаку мікрохвилі та пучки частинок нагрівають паливо, а магнітні поля затримують його. «Завдання полягає в тому, щоб зробити його надійним і простим», — каже Вайт.

Однак провідний пристрій токамак, реактор ITER, який будується у Франції, зовсім не простий. Це значно перевищує бюджет, давно прострочено і досягне беззбитковості щонайменше наприкінці 2030-х років. З новим успіхом NIF прихильники такої «інерційної термоядерної енергії» на основі лазера будуть наполягати на фінансуванні, щоб побачити, чи зможуть вони конкурувати з токамаками.

NIF вартістю 3,5 мільярда доларів розпочав свою «запалювальну» кампанію в 2010 році . Його лазер, розміщений у будівлі розміром із три футбольні поля США, забезпечує потужний інфрачервоний імпульс тривалістю наносекунд, розділений на 192 промені, які перетворюються на ультрафіолетове світло. Промені фокусуються на ціль — золоту банку розміром з олівець, що містить паливну капсулу розміром з горошину перцю. Розігріте до мільйонів градусів золото випромінює рентгенівське випромінювання, яке випаровує алмазну оболонку капсули. Вибуховий алмаз розриває паливо, стискаючи та нагріваючи його.

Якщо стиснення палива достатньо симетричне, реакції синтезу починаються в центральній гарячій точці та плавно поширюються назовні, при цьому тепло від синтезу викликає ще більше горіння. Це самопідтримуване горіння — це те, що визначає запалювання, і після більш ніж десяти років зусиль науковці NIF заявили, що досягли цієї віхи після того , як постріл у серпні 2021 року виробляв 70% вхідної енергії лазера . Але спонсор NIF, Національна адміністрація ядерної безпеки Міністерства енергетики, поставила перед NIF ціль отримати енергію більше, ніж одиниця — поріг, який він перевищив минулого тижня.

Пройти цю зайву милю було нелегко. Після знімка в серпні 2021 року команда NIF виявила, що не може його повторити. Використання гладкої алмазної капсули виявилося ключовим: капсула з серпня 2021 року була найбільш ідеально гладкою та сферичною, яку вони виготовляли. «Нам потрібно було навчитися робити капсули кращими», — говорить Геррманн. Вони також зробили капсулу трохи товщею, що забезпечило більше імпульсу для імплозії, але вимагало довшого та потужнішого лазерного імпульсу. Тож вони налаштували лазер, щоб вичавити більше соку, підвищивши енергію з 1,9 МДж до 2,05 МДж.

Постріл у вересні дав 1,2 МДж, показавши дослідникам NIF, що вони були на правильному шляху, але симетрія була поганою: паливо було розчавлене в млинець, а не в тугу кулю. Регулюючи енергію 192 променів лазера, вони змогли отримати більш сферичну імплозію, і минулого тижня вони нарешті зірвали джекпот. «Фізичне явище було продемонстровано», — каже Ріккардо Бетті з Лабораторії лазерної енергетики Університету Рочестера.

Проте, якщо підсилення означало виробництво більше вихідної енергії, ніж вхідної електроенергії, NIF був набагато менший. Його лазери неефективні, вимагаючи сотень мегаджоулів електроенергії для виробництва 2 МДж лазерного світла та 3 МДж енергії термоядерного синтезу. Крім того, силовій установці на основі NIF потрібно було б збільшити частоту повторення з одного пострілу на день приблизно до 10 на секунду. Один мільйон капсул на день потрібно буде виготовляти, наповнювати, розміщувати, підривати та прибирати — це величезний інженерний виклик.

Схема NIF має ще одну неефективність, каже Бетті. Він заснований на «непрямому приводі», за якого лазер вибухає золоту банку, щоб створити рентгенівське випромінювання, яке фактично ініціює термоядерний синтез. За його словами, лише близько 1% лазерної енергії потрапляє в паливо. Він віддає перевагу «прямому приводу», підходу, який дотримується його лабораторія, коли лазерні промені стріляють прямо на паливну капсулу та відкладають 5% своєї енергії. Але DOE ніколи не фінансувало програму розробки інерційного синтезу для виробництва електроенергії. У 2020 році Консультативний комітет агентства з питань термоядерної енергетики рекомендував це робити у звіті, співавторами якого були Бетті та Уайт. «Нам потрібна нова парадигма, — каже Бетті, — але немає чіткого шляху, як це зробити».

Тепер, коли NIF розклав горішки, дослідники сподіваються, що лазерний термоядерний синтез завоює довіру, і може надійти більше фінансування. Після довгої роботи, щоб потрапити сюди, Бетті жартує про передачу естафети. «Це дуже важливий перший крок», — каже він. «Ми зробили це зараз, тому я можу піти на пенсію».