Четверг, 2 февраля, 2023

Сила инерции: как запустить термоядерную реакцию лазером

Время на чтение 6 мин.

На прошлой неделе человечество, возможно, сделало шаг к дешевому, экологичному и почти бесконечному источнику энергии. В Национальном комплексе зажигания в Ливерморской лаборатории (США) впервые потратили на запуск термоядерной реакции меньше энергии, чем получили в результате. Это дает надежду на то, что идея термоядерной электростанции в принципе осуществима. Но вряд ли в ближайшие десятилетия.

Удержать неудержимое

Одна из основных проблем при осуществлении реакции термоядерного синтеза — это удержать разогретую плазму в течение времени, достаточного для того, чтобы ядра начали сливаться. Поскольку вещество разогревается до огромных температур (порядка 108 или 109 градусов), ни один существующий материал не может выдержать такого жара.

Ученые пытаются решить эту проблему разными способами. Один из них, о котором мы уже писали, — это удержание плазмы в электромагнитном поле. Существует два наиболее перспективных типа подобного реактора — токамак и стелларатор (они различаются технологией создания магнитного поля). При этом токамак лучше поддерживает высокую температуру плазмы, а стеллараторы — обеспечивают большее время удержания.

Установка, используемая в Ливерморской лаборатории, принципиально другая. В ней реализуется инерциальный управляемый термоядерный синтез. Для удержания плазмы в ней используются собственные силы инерции вещества, используемого в качестве топлива. Принцип работы следующий: вещество почти мгновенно разогревается до состояния плазмы. Внешние слои при этом разлетаются, и создаваемая этим разлетом реактивная сила сжимает оставшееся вещество. Такой нагрев возможен только в импульсном режиме, поэтому на мишень воздействуют серией ударных волн, в результате которых запускается термоядерная реакция. При этом выделяющаяся энергия также нагревает топливо, что способствует поддержанию реакции.

В экспериментах Национального комплекса зажигания используется мишень диаметром два миллиметра, состоящая из золотого цилиндра, в котором находится смесь дейтерия и трития. Время удержания такой плазмы, разогретой до 108 градусов, составляет 10–9 секунд. Поэтому разогрев должен происходить моментально — и сразу до высокой температуры. В Ливерморе (как и почти во всех аналогичных установках) для этого используют очень мощные лазеры, чаще всего лазеры предельно коротких импульсов. Такие генераторы способны генерировать излучение длительностью порядка нескольких фемтосекунд (10–15).

Такой импульс сразу же испаряет золотую оболочку цилиндра и разогревает дейтериево-тритиевую смесь. Хотя при такой схеме в реакции задействуется небольшая часть топлива (мишень содержит около 10 миллиграммов смеси), выделившаяся энергия эквивалентна сжиганию около барреля нефти.

Сила инерции: как запустить термоядерную реакцию лазером
Топливная мишень. Фото: Lawrence Livermore National Laboratory

Основные проблемы технологии — огромные затраты энергии на работу лазеров, сложность поддержания импульсного режима. Кроме того, такая высокая нагрузка приводит к тому, что техника довольно быстро выходит из строя и нуждается в частой замене. Все это затраты, которые ставят под вопрос возможность коммерческой эксплуатации подобного реактора. Так, упомянутый в начале статьи эксперимент стоил целых 3,2 миллиарда долларов — вряд ли это та цена, которую мы хотим увидеть в счетах за электричество.

Однако лазеры — это не единственный способ запустить инерциальный термоядерный синтез. Давление могут создавать и другие виды излучения — например рентгеновское. В Сандийских национальных лабораториях в штате Нью-Мексико работает экспериментальная установка под названием Z-машина, один из крупнейших источников рентгеновского излучения в мире. На ней также проводился эксперимент по сжатию дейтериево-тритиевой смеси с образованием из них ядер гелия. Недостаток установки — биологическая опасность рентгеновского излучения и чудовищная сила тока, необходимая для генерации. В течение 100 наносекунд на проводники подается порядка 20 миллионов ампер. Из-за очень высокого напряжения оборудование находится в камерах, заполненных трансформаторным маслом и деионизированной водой. Однако и это не вполне помогает: в момент генерации электромагнитного импульса расположенные рядом металлические предметы начинают светиться.

Ливермор, поджигай!

Национальный комплекс зажигания был построен в Ливерморской национальной лаборатории специально для исследования технологии инерциального термоядерного синтеза, запускаемого при помощи лазеров. Инженеры собрали 192 мощных лазера, импульсы которых проходят через каскад усилителей и направляются на мишень с топливом.

Сила инерции: как запустить термоядерную реакцию лазером
Механизм, удерживающий топливную мишень. Фото: Lawrence Livermore National Laboratory

Ультрафиолетовые лазеры с длиной волны 351 нанометр генерируют мощность до 500 тераватт. Они разогревают топливную мишень до 108 градусов, сжимая ее до плотности 1000 граммов на кубический сантиметр. При этом создается давление, эквивалентное 300 миллиардам атмосфер, из-за чего запускается реакция термоядерного синтеза. По два ядра дейтерия и трития — тяжелого и сверхтяжелого изотопов водорода — сливаются в ядро гелия. При этом выделяются энергия и высокоэнергетический нейтрон.

Сила инерции: как запустить термоядерную реакцию лазером
Инженер внутри камеры, где происходит термоядерный синтез. Фото: Wkipedia

Но что же по затратам? Строительство комплекса заняло целых 12 лет и стоило четыре миллиарда долларов. Первый пробный эксперимент на нем провели в 2009 году, но еще три года ученым так и не удавалось запустить термоядерную реакцию. В какой-то момент даже встал вопрос о закрытии комплекса, но Конгресс США решил продолжить финансировать эксперименты. Лишь в 2018 году, после модернизации установки, ученые смогли запустить термоядерную реакцию, получив 3,6 % от затраченной энергии лазера.

В 2021 году ученым удалось получить выходную энергию в размере 70 % от затраченной, заменив дейтериево-тритиевую мишень алмазной. Правда, повторить этот успех не получилось. Лишь в 2022 году в результате термоядерного синтеза было получено 3,15 мегаджоуля энергии против затраченных 2,05 мегаджоуля. Правда, никто не ожидал подобного: в результате было повреждено оборудование для анализа результатов, поэтому ученые пока что говорят об итогах эксперимента с осторожностью.

Хотя результаты эксперимента обнадеживают, вряд ли мы увидим работающую термоядерную электростанцию в ближайшие десятилетия. Слишком много технических сложностей еще предстоит решить — и мы пока не знаем, все ли они решаемы в принципе.

Другие статьи

1 COMMENT

  1. Зачем капиталистам нужна термоядерная энергия!? Уничтожить себя в своих бесконечных разборках за сверхприбыли они могут и обычным ядерным оружием…

Оставьте ответ

Пожалуйста, введите свой комментарий!
Пожалуйста, введите ваше имя здесь

Enter Captcha Here : *

Reload Image