Новаторская лаборатория ядерного синтеза готовится побить новые рекорды

В прошлом месяце Национальная установка зажигания США (NIF) впервые с декабря запустила свои лазеры на полную мощность, когда в результате ядерной реакции она получила больше энергии, чем потребила. Последний запуск даже близко не подошел к предыдущему: NIF достиг только 4% выхода энергии по сравнению с концом прошлого года.

Однако ученые и не ожидали этого. Опираясь на успех NIF, они теперь развивают экспериментальные возможности программы, стараясь лучше понять возможности установки ядерного синтеза. Вот что Nature рассказывает о будущем NIF и о том, способствует ли оно глобальным усилиям по созданию обширного источника чистой энергии для планеты. Какова была цель последнего эксперимента? NIF, расположенный в Национальной лаборатории имени Лоуренса Ливермора (LLNL) в Калифорнии, представляет собой стадионное сооружение, в котором 192 лазера стреляют в крошечный золотой цилиндр, содержащий алмазную капсулу.

Внутри капсулы находится замороженный гранул из изотопов водорода – дейтерия и трития. Лазеры вызывают имплозию, создают экстремальное тепло и давление, которые приводят к синтезу изотопов водорода в гелий с выделением дополнительной энергии. Одной из основных проблем в работе этой схемы является изготовление алмазной капсулы. Даже самые маленькие дефекты - поры размером с бактерию, загрязнение металлом или изменения формы и толщины - влияют на имплозию и, следовательно, на давление и тепло, которые вызывают реакции синтеза.

Рекордные эксперименты 2021 и 2022 годов использовали лучшие доступные капсулы, но в марте, ожидая новую партию, ученые NIF провели эксперимент с капсулой, которая была толще с одной стороны, чем с другой. Моделирование показало, что этот недостаток можно компенсировать, настроив лучи лазеров таким образом, чтобы получить более равномерную имплозию.

Это был тест для проверки их теоретических предсказаний, говорит Ричард Таун, физик, возглавляющий программу науки о ядерном синтезе на основе инерционного сжатия в LLNL. Результаты оказались ниже их ожиданий, и исследователи теперь работают над пониманием причин этого. Однако, если эти исследования принесут результаты, говорит Таун, "это откроет для нас возможность использовать больше капсул и улучшит наше понимание процесса имплозии". Что дальше для NIF? Ученые добились успеха в декабре, увеличив энергию лазеров и толщину капсулы, что способствует удлинению реакций синтеза.

Эксперименты в этом году будут следовать аналогичной стратегии, говорит Энни Критчер, физик, возглавляющий разработку кампании. В долгосрочной перспективе цель состоит в том, чтобы увеличить количество энергии, получаемой от реакций синтеза, с 3,15 мегаджоулей, созданных в прошлом году, до сотен мегаджоулей. Таун видит реальный путь к увеличению выхода энергии NIF до десятков мегаджоулей, в частности, за счет дополнительного повышения энергии лазеров, подаваемой на цель.

Однако он предупреждает, что NIF вскоре может потребоваться значительное усиление безопасности: установка рассчитана только на выход синтеза до 45 мегаджоулей. Прежде чем проводить любые эксперименты, которые могут приблизиться к этому пределу, лаборатория должна укрепить почти 2-метровые бетонные стены, содержащие реакцию, в стратегических местах. Как это помогает в стремлении создать энергию синтеза для планеты? NIF изначально не предназначался как электростанция.

Его основная цель заключалась в том, чтобы помочь ученым проверить надежность и безопасность оружия в ядерном арсенале США, воссоздавая и изучая реакции, происходящие в их ядре. Однако достижение зажигания в декабре "стало важным событием, которое открывает двери для энергетической программы", говорит Стивен Дин, президент ассоциации Fusion Power Associates, адвокатской группы в Гейтерсбурге, штат Мэриленд. Рекордный эксперимент выработал примерно на 50% больше энергии, чем было передано в золотой цилиндр, и, что более важно, почти в 13 раз больше энергии, сосредоточенной на внутреннем топливном грануле.

Для Макса Карасика, физика из Научно-исследовательской лаборатории ВМС в Вашингтоне, это подчеркивает возможный путь вперед, которым он и другие занимаются: отказаться от золотого цилиндра и сосредоточить лазеры непосредственно на топливном грануле, экспериментальной конструкции, известной как прямой привод. В этой конфигурации "гораздо больше энергии доступно для сжатия топливного гранула", говорит Карасик. Однако вызовы, стоящие перед энергией синтеза, весьма велики.

Лазеры NIF потребляли 322 мегаджоуля энергии в знаковом эксперименте в декабре. Чтобы обеспечить электроснабжение населения, Дин говорит, что лазерный синтезатор мощности должен будет генерировать энергию в 100 раз больше, чем было введено, и его лазеры должны будут работать примерно 10 раз в секунду. Это означает разработку системы, которая может точно фокусировать и стрелять лазерами по сотням тысяч целей каждый день.

• Новые открытия освещают поиски ценных "зеленых" металлов
• За пределами клонирования: использование мощи виртуального квантового вещания
• Исследовательская группа предлагает новый тип акустического кристалла с плавными, непрерывными изменениями упругих свойств
• Дроны, распространяющие комаров, могут сократить распространение болезней
• Триллионы тонн закопанного водорода: начинается золотая лихорадка чистой энергии
• Робот, распыляющий смолу, может ремонтировать газопроводы изнутри
• Мини-роботы, созданные по образцу насекомых
• Раскаленная добела тепловая сетевая батарея стремится уничтожить литий