Зажечь навсегда CША достигли прогресса в инерциальном управляемом термоядерном синтезе
Разогрев дейтерий-тритиевой мишени 7 февраля 2016 года. Изображение: Lawrence Livermore National Laboratory
Физики из Ливерморской национальной лаборатории в США в январе 2016 года сообщили о прогрессе в инерциальном управляемом термоядерном синтезе. При помощи новой технологии ученые сумели в четыре раза повысить эффективность подобных установок. Результаты исследований опубликованы в журнале Nature Physics, кратко о них проинформировали Ливерморская национальная лаборатория и Калифорнийский университет в Сан-Диего. О новых достижениях рассказывает «Лента.ру».
Человек давно пытается найти альтернативу углеводородным источникам энергии (углю, нефти и газу). Сжигание топлива загрязняет окружающую среду. Его запасы стремительно сокращаются. Выход из ситуации — зависимости от водных ресурсов, а также климата и погоды, — создание термоядерных электростанций. Для этого необходимо добиться управляемости реакций термоядерного синтеза, при которых выделяется необходимая человеку энергия.
В термоядерных реакторах тяжелые элементы синтезируются из легких (образование гелия в результате слияния дейтерия и трития). Обычные (ядерные) реакторы, наоборот, работают на распаде тяжелых ядер на более легкие. Но для синтеза необходимо разогреть водородную плазму до термоядерных температур (примерно таких, как в ядре Солнца, — сто миллионов градусов Цельсия и более) и удерживать ее в равновесном состоянии до возникновения самоподдерживающейся реакции.
Работы ведутся по двум перспективным направлениям. Первое связано с возможностью удержания разогретой плазмы при помощи магнитного поля. К подобного рода реакторам относятся токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) и стелларатор. В токамаке по плазме в форме тороидального шнура пропускают электрический ток, в стеллараторе магнитное поле наводится внешними катушками.
Строящийся на территории Франции ИТЭР (Международный экспериментальный термоядерный реактор) относится к токамакам, а запущенный в декабре 2015 года в Германии Wendelstein 7-X — к стеллараторам.
Второе перспективное направление управляемого термоядерного синтеза связано с лазерами. Физики предлагают при помощи лазерного излучения быстро нагреть и сжать до необходимых температур и плотностей вещество, чтобы оно, будучи в состоянии инерционно удерживаемой плазмы, обеспечило протекание термоядерной реакции.
Лазерная система OMEGA
Изображение: Lawrence Livermore National Laboratory
Инерциальный управляемый термоядерный синтез предполагает использование двух основных методов зажигания предварительно сжатой мишени: ударного — при помощи сфокусированной ударной волны, и быстрого — имплозии (взрыва внутрь) сферического водородного слоя внутри мишени. Каждый из них (в теории) должен обеспечить оптимальное преобразование лазерной энергии в импульсную и ее последующую передачу сжатой сферической термоядерной мишени.
Установка в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций в США применяет второй подход, предполагающий разделение фаз сжатия и нагрева. Это, по словам ученых, позволяет снизить плотность топлива (или его массу) и обеспечить более высокие коэффициенты усиления. Нагрев порождается коротким импульсом петаваттного лазера: интенсивный электронный пучок отдает свою энергию мишени. Эксперименты, о которых сообщается в последнем исследовании, проводились в Нью-Йорке на установке OMEGA-60 в Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета, включающей в себя 54 лазера с суммарной энергией 18 килоджоулей.
Схема мишени
Изображение: Nature Physics
Изученная учеными система устроена следующим образом. Мишень представляет собой пластиковую капсулу, на внутреннюю стенку которой нанесен тонкий дейтерий-тритиевый слой. При облучении капсулы лазерами она расширяется и заставляет сжиматься расположенный внутри нее водород (в ходе первой фазы), который разогревается (в ходе второй фазы) до плазмы. Плазма из дейтерия и трития дает рентгеновское излучение и давит на капсулу. Данная схема позволяет системе не испариться после ее облучения лазером и обеспечивает более равномерный нагрев плазмы.
В своих опытах ученые в пластиковую оболочку ввели медь. Когда лазерный луч направляется на капсулу, та выбрасывает быстрые электроны, которые попадают на медные индикаторы и заставляют их испускать рентгеновские лучи. Ученые впервые смогли представить технику визуализации электронов K-оболочки, позволяющую отслеживать перенос энергии электронами внутри капсулы и в результате более аккуратно рассчитывать параметры системы. Важность этой работы заключается в следующем.
Эксперимент и визуализация быстрых электронов (сверху вниз)
Изображение: Nature Physics
Достижению высокой степени сжатия мешают быстрые электроны, в энергию которых превращается большая доля поглощенного мишенью излучения. Длина свободного пробега таких частиц по порядку совпадает с диаметром мишени, вследствие чего она преждевременно перегревается и не успевает сжаться до нужных плотностей. Выполненное исследование позволило заглянуть внутрь мишени и отследить происходящие там процессы, предоставив новую информацию о необходимых для оптимального излучения мишени параметрах лазера.
Работы, относящиеся к инерциальному термоядерному синтезу, кроме США ведутся в Японии, Франции и России. В городе Саров Нижегородской области на базе Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики в 2020 году планируется ввести в строй лазерную установку двойного назначения УФЛ-2М, которая среди прочих задач должна использоваться для исследований условий зажигания и горения термоядерного топлива.
Эффективность термоядерной реакции определяется как отношение энергии, выделившейся в реакции синтеза, к полной энергии, потраченной на нагрев системы до необходимых температур. Если эта величина больше единицы (ста процентов), лазерный термоядерный реактор можно считать успешным. В экспериментах физикам удалось до семи процентов энергии лазерного излучения передать топливу. Это в четыре раза превышает ранее достигнутую эффективность систем быстрого зажигания. Компьютерное моделирование позволяет спрогнозировать повышение эффективности до 15 процентов.
Опубликованные результаты повышают шансы на то, что Конгресс США продлит финансирование мегаджоулевых установок, таких как Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций в городе Ливермор (затраты на создание и поддержание его работоспособности превысили четыре миллиарда долларов). Несмотря на скептицизм, сопровождающий исследования в области термоядерного синтеза, они медленно, но уверенно движутся вперед. В этой области перед учеными стоят не фундаментальные, а технологические задачи, требующие международного сотрудничества и адекватного финансирования.