Более простой метод генерации термоядерной энергии с помощью лазеров обещает сделать этот подход гораздо более экономически эффективным — при условии, что его можно будет масштабировать.
Прогресс, о котором сообщила команда, использующая лазерную систему Omega в Рочестерском университете (США), основывается на прорыве 2022 года, когда Национальный центр зажигания (NIF) запустил реакцию ядерного синтеза, генерирующую больше энергии, чем подаваемые лазерные лучи, чтобы произвести его. Но, по мнению исследователей, за счет удаления слоя материала (и, следовательно, сложности) из этой технологии новый подход «прямого привода» может лучше подойти для будущего производства электроэнергии.
Термоядерный синтез обещает обильную, безуглеродную энергию за счет использования ядерной физики, которая питает Солнце. Цель состоит в том, чтобы заставить ядра тяжелых изотопов водорода, дейтерия и трития сливаться, образуя ядро гелия и нейтрон. На протяжении десятилетий ученые изо всех сил пытались достичь температуры 100 миллионов градусов по Цельсию и более, необходимой для проведения этой реакции. Во многих проектах для улавливания и нагревания топлива используются мощные магнитные клетки, называемые токамаками и стеллараторами. Напротив, NIF в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса использует лазеры для взрыва топливной капсулы размером с горошину перца до тех пор, пока давление и температура в ее ядре не воспламенят термоядерный ожог.
Исследователи NIF выпустили лазерный импульс мощностью 2,05 мегаджоуля, который дал энергию 3,15 МДж, что эквивалентно трем динамитным шашкам. Этот результат опубликован в журнале Physical Review Letters. Хотя эти цифры показывают, что термоядерный синтез в плазме генерирует больше энергии, чем накачиваемый лазерный свет, для создания лазерного импульса требуется в 150 раз больше энергии.
Задача этого типа термоядерного синтеза состоит в том, чтобы сжать топливо с идеальной сферической симметрией. Любые дефекты и сжатые газы будут непредсказуемо выпирать наружу, как шарик с водой, сжатый малышом, снижая внутреннюю температуру. Хотя 192 луча NIF сходятся на топливе со всех сторон, исследователи предприняли дополнительный шаг для улучшения симметрии, окружив капсулу золотым цилиндром размером с ластик на карандаше. Лазеры нагревают цилиндр и бомбардируют капсулу рентгеновскими лучами. Затем тонкая алмазная оболочка капсулы испаряется, вырываясь наружу, как ракетный двигатель, и симметрично выдавливая топливо внутрь. Но этот метод, вероятно, будет слишком дорогостоящим для гигаваттной электростанции, которая будет потреблять почти 1 миллион золотых баллонов и топливных капсул каждый день и должна будет убирать мусор от 10 выстрелов каждую секунду.
Более простой подход с прямым приводом позволяет отказаться от этих золотых цилиндров, направляя 60 лазерных лучей Omega непосредственно на крошечную топливную капсулу, чтобы испарить ее. Без сглаживающего эффекта рентгеновских лучей команде Лаборатории лазерной энергетики (LLE) Университета Р. необходимы лазерные лучи более высокого качества, энергия которых равномерно распределяется по волновому фронту и сходится с идеальной симметрией. На последних снимках команда изменила конструкцию капсулы, добавив кремний в полимерную оболочку для улучшения поглощения энергии, объясняет Варчас Гопаласвами из LLE. И хотя NIF может стрелять примерно один раз в день, меньшая Omega может делать до 10 выстрелов в день, что позволяет исследователям LLE быстро настроить свою установку.
Однако капсулы Омеги слишком малы, чтобы обеспечить горящую плазму, что происходит, когда тепло от реакций синтеза внутри плазмы поддерживает больше реакций - точно так же, как тепло от горящего бревна поддерживает больше горения. Итак, исследователи LLE экстраполировали свои результаты, чего они могли бы достичь, если бы использовали капсулу большего размера и такой же мощный лазер, как NIF, используя математический метод, называемый гидроэквивалентным масштабированием. (Исследователи не могут реализовать прямой привод в NIF, поскольку там менее симметрично расположение лазеров.)
Самый эффективный выстрел, увеличенный в 4,2 раза до размера NIF, произвел бы 1,6 МДж из импульса мощностью 2,15 МДж, как описывают исследователи сегодня в паре статей в журнале Nature Physics. Хотя это и не выигрыш в энергии, это привело бы к образованию горящей плазмы. Команда надеется, что дальнейшие настройки позволят им делать удары, которые, если их увеличить, дадут прирост энергии. «Это наша цель, и мы должны достичь ее без серьезных модификаций», — говорит главный научный сотрудник LLE Риккардо Бетти.
«Это хорошая новость для тех, кто надеется генерировать энергию с помощью лазерного синтеза», — говорит Робби Скотт из лаборатории Резерфорда Эпплтона, поскольку прямой привод в пять раз более эффективен, чем NIF, при передаче энергии от лазеров в топливо. Кроме того, говорит Роуз, для прямого привода «мишени намного проще и потенциально легче изготовляться».
