Ученые зажгли в лаборатории искусственное Солнце с помощью 192 лазеров

Ученые добились прорыва в области ядерного синтеза с помощью взрыва 192 лазеров

Достижения исследователей Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса будут использованы для дальнейшего развития исследований в области термоядерной энергии.

Ученые, изучающие энергию термоядерного синтеза в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии, объявили во вторник, что они преодолели важную веху в воспроизведении энергии солнца в лаборатории.

Ученые на протяжении десятилетий говорили, что термоядерный синтез, ядерная реакция, которая заставляет звезды сиять, может стать будущим источником обильной энергии.

Результат, объявленный во вторник, - это первая реакция синтеза в лабораторных условиях, которая фактически произвела больше энергии, чем потребовалось для начала реакции.

“Это такой замечательный пример реализованной возможности, достигнутой научной вехи и пути к возможностям чистой энергии”, - сказал Арати Прабхакар, советник Белого дома по науке, во время пресс-конференции во вторник утром в штаб-квартире Министерства энергетики в Вашингтоне, округ Колумбия. “И даже более глубокое понимание научных принципов, которые здесь применяются ”.

С точки зрения охраны окружающей среды термоядерный синтез всегда был очень привлекательным. Внутри солнца и звезд термоядерный синтез постоянно объединяет атомы водорода в гелий, производя солнечный свет и тепло, которые омывают планеты.

В экспериментальных реакторах и лазерных лабораториях на Земле термоядерный синтез оправдывает свою репутацию очень чистого источника энергии, лишенного загрязнения и парниковых газов, образующихся при сжигании ископаемого топлива, и опасных долгоживущих радиоактивных отходов, образующихся на современных атомных электростанциях, которые используют расщепление урана для производства энергии.

Однако всегда существовал один неприятный нюанс. Несмотря на все попытки ученых контролировать неуправляемую энергию термоядерного синтеза, их эксперименты потребляли больше энергии, чем производили реакции термоядерного синтеза.

Это изменилось сразу после 1 часа ночи 5 декабря, когда 192 гигантских лазера в Национальном центре воспламенения лаборатории взорвали небольшой цилиндр размером с ластик для карандаша, который содержал замороженный комочек водорода, заключенный в алмаз.

Лазерные лучи проникали в верхнюю и нижнюю части цилиндра, испаряя его. Это вызвало натиск рентгеновских лучей, которые сжимают топливную таблетку размером с ВВ, состоящую из дейтерия и трития, более тяжелых форм водорода.

Надежда на энергию термоядерного синтеза

Ядерный синтез, который воспроизводит процесс, происходящий внутри солнца, рассматривается как возможное решение мировой энергетической проблемы.

Успешный эксперимент, наконец, достиг цели, которая была обещана, когда в 1997 году началось строительство Национальной установки термоядерного синтеза. Однако, когда в 2009 году началась эксплуатация, установка практически не производила термоядерного синтеза, что стало досадным разочарованием после инвестиций федерального правительства в размере 3,5 миллиардов долларов.

В 2014 году ливерморские ученые наконец сообщили о некотором успехе, но произведенная энергия была ничтожной — эквивалент того, что 60-ваттная лампочка потребляет за пять минут. Прогресс в течение следующих нескольких лет был незначительным и незначительным.

Затем, в августе прошлого года, установка произвела гораздо больший выброс энергии — на 70 процентов больше энергии, чем энергия лазерного излучения.

В интервью Марк Херрманн, программный директор по физике и дизайну оружия в Ливерморе, сказал, что затем исследователи провели серию экспериментов, чтобы лучше понять удивительный августовский успех, и они работали над увеличением энергии лазеров почти на 10 процентов и улучшением конструкции водородных мишеней.

Первый лазерный выстрел мощностью 2,05 мегаджоуля был произведен в сентябре, и эта первая попытка произвела 1,2 мегаджоуля термоядерной энергии. Более того, анализ показал, что сферическая таблетка водорода не была сжата равномерно, и часть водорода, по существу, выплеснулась наружу и не достигла температуры плавления.

Ученые внесли некоторые коррективы, которые, по их мнению, будут работать лучше.

“Прогноз перед выстрелом заключался в том, что он может увеличиться в два раза”, - сказал доктор Херрманн. “На самом деле, он вырос немного больше”.

Основная цель Национальной установки воспламенения - проводить эксперименты, чтобы помочь Соединенным Штатам сохранить свое ядерное оружие. Это делает предположительными непосредственные последствия для производства энергии.

Термоядерный синтез стал бы, по сути, источником энергии без выбросов, и это помогло бы уменьшить потребность в электростанциях, работающих на угле и природном газе, которые ежегодно выбрасывают в атмосферу миллиарды тонн углекислого газа, нагревающего планету.

Но пройдет немало времени, прежде чем термоядерный синтез станет доступен в широком практическом масштабе, если вообще когда-либо.

“Вероятно, десятилетия”, Кимберли С. Будил, директор Лоуренса Ливермора, сказал во время пресс-конференции во вторник. “Не шесть десятилетий, не пять десятилетий, как мы привыкли говорить. Я думаю, что это выходит на передний план, и, вероятно, при согласованных усилиях и инвестициях несколько десятилетий исследований базовых технологий могут дать нам возможность построить электростанцию ”.

В термоядерных реакторах на сегодняшний день в основном использовались реакторы в форме пончика, известные как токамаки. Внутри реакторов газообразный водород нагревается до достаточно высоких температур, чтобы электроны отрывались от ядер водорода, создавая так называемую плазму — облака положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Магнитные поля захватывают плазму в форме пончика, и ядра сливаются вместе, высвобождая энергию в виде нейтронов, вылетающих наружу.

В новой работе используется другой подход, но пока мало что сделано для воплощения идеи лазерной термоядерной электростанции в реальность. “Существуют очень серьезные препятствия не только в науке, но и в технологии”, - сказал доктор Будил.

NIF - самый мощный лазер в мире, но он медленный и неэффективный.

Аппарат размером со спортивный стадион предназначен для проведения фундаментальных научных экспериментов, а не служит прототипом для выработки электроэнергии.

В среднем это около 10 уколов в неделю. Коммерческому объекту, использующему подход лазерного синтеза, понадобятся гораздо более быстрые лазеры, способные стрелять со скоростью пулемета, возможно, 10 раз в секунду.

NIF также по-прежнему потребляет гораздо больше энергии, чем вырабатывается в результате термоядерных реакций.

Хотя последний эксперимент дал чистый прирост энергии по сравнению с энергией 2,05 мегаджоулей во входящих лазерных лучах, NIF потребовалось извлечь 300 мегаджоулей энергии из электрической сети, чтобы сгенерировать короткий лазерный импульс.

Другие типы лазеров более эффективны, но эксперты говорят, что жизнеспособная лазерная термоядерная электростанция, вероятно, потребует гораздо большего прироста энергии, чем 1,5, наблюдаемый в этом последнем термоядерном синтезе.

“Вам потребуется прирост от 30 до 100, чтобы получить больше энергии для энергетической электростанции”, - сказал доктор Германн.

Он сказал, что Ливермор продолжит продвигать эксперименты по термоядерному синтезу с помощью лазеров NIF для повышения производительности термоядерного синтеза.

“Это действительно то, на что мы будем честно смотреть в течение следующих нескольких лет”, - сказал доктор Германн. “Эти эксперименты показывают, что даже немного больше лазерной энергии может иметь большое значение”.

Исследователи в других странах рассматривают варианты эксперимента NIF. Другие типы лазеров с разной длиной волны могут нагревать водород более эффективно.

Некоторые исследователи предпочитают подход “прямого привода” к лазерному синтезу, используя лазерный луч для непосредственного нагрева водорода. Это дало бы больше энергии водороду, но также могло бы создать нестабильности, которые препятствуют реакциям синтеза.

Результаты, объявленные во вторник, принесут пользу ученым, работающим над нашим благопалучием.