Сделаны 4 важных шага к созданию электростанции на термояде — воплощению мечты о безграничной энергии
В декабре 2022 года, после более чем десяти лет усилий и разочарований, ученые из Национальный комплекса лазерных термоядерных реакций США (буквальный перевод названия — «Национальная зажигательная лаборатория» — NIF) объявили, что они вызвали реакцию термоядерного синтеза, в результате которой выделяется больше энергии, чем потребляется — явление, известное как «зажигание» или «воспламенение».
Теперь ученые доказали, что это не было случайной удачей, повторяя зажигание снова и снова.
Прорыв в термоядерном синтезе
Лазерная установка размером со стадион, расположенная в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) в Калифорнии, однозначно достигла своей цели — воспламенение произошло в четырех из последних шести попыток, создав реакцию, при которой давление и температура превышают те, что происходят внутри Солнца.
Ричард Таун, физик, возглавляющий программу по термоядерному синтезу в лаборатории LLNL, сказал Nature : «Я думаю, что мы все должны гордиться этим достижением».
NIF была спроектирована не как электростанция, а как установка для воссоздания и изучения реакций, происходящих во время термоядерных взрывов после того, как Соединенные Штаты прекратили подземные испытания оружия в 1992 году. Эксперименты по термоядерному синтезу уже используются для исследований ядерного оружия, но они еще и «зажгли» общественный энтузиазм по поводу мирного термояда как безграничного источника чистой энергии.
Специальный посланник президента США по вопросам климата Джон Керри призвал к новому международному партнерству для продвижения термоядерной энергетики на климатическом саммите COP28 в Дубае на прошлой неделе, а Министерство энергетики США (DOE), которое курирует NIF, объявило о создании новых исследовательских центров, которые возглавят LLNL, Рочестерский университет в Нью-Йорке и Университет штата Колорадо в Форт-Коллинзе.
Создание NIF было для многих «прыжком веры», и его успех оказал реальное влияние на сообщество ученых, занимающихся термоядерным синтезом. Саския Мордейк, физик из Университета Уильяма и Мэри в Уильямсбурге, штат Вирджиния говорит: «Ученые не только сказали, что могут что-то сделать, но действительно сделали».
Горячие выстрелы
Главная установка NIF работает, направляя 192 лазерных луча на замороженную таблетку изотопов водорода — дейтерия и трития, которая находится в алмазной капсуле, подвешенной внутри золотого цилиндра. В результате внутреннего взрыва (имплозии) изотопы сливаются, образуя гелий и выделяя энергию. Так и происходит термоядерный синтез на Солнце. 5 декабря 2022 года эти реакции впервые произвели больше энергии (примерно на 54% больше), чем потратили лазерные лучи, направленные на цель.
Установка установила новый рекорд 30 июля, когда ее лучи доставили к цели такое же количество энергии — 2,05 мегаджоуля, — но на этот раз взрыв произвел 3,88 мегаджоуля термоядерной энергии, что на 89% больше, чем входная энергия. Ученые лаборатории добились зажигания во время еще двух попыток в октябре (см. инфографику «Год прогресса»). А расчеты лаборатории показывают, что два других эксперимента в июне и сентябре генерировали немного больше энергии, чем обеспечивали лазеры, но недостаточно для подтверждения зажигания.
Лаборатория теперь работает в новом режиме: исследователи могут раз за разом достигать цели, к которой они стремились более десяти лет. Небольшие изменения в лазерных импульсах или незначительные дефекты в алмазной капсуле все еще могут привести к утечке энергии, но теперь ученые лучше понимают как работают основные параметры и как ими манипулировать.
«Даже когда у нас есть эти проблемы, мы все равно можем получить больше, чем мегаджоуль термоядерной энергии, и это хорошо», — говорит Энни Критчер, возглавившая эту серию экспериментов.
Ученые и инженеры будут работать вместе
До обеспечения термоядерной энергией всей энергосистемы еще далеко. Хотя в NIF находится самый мощный в мире лазер, лаборатория не слишком хорошо подходит для этой задачи. Ее лазерная система крайне неэффективна: более 99% энергии, затрачиваемой на одну попытку зажигания, теряется до того, как достигает цели. В рабочей установке это, конечно, не допустимо. Даже до КПД паровоза еще очень далеко.
Разработка более эффективных лазерных систем является сегодня одной из целей новой исследовательской программы Министерства энергетики США. В этом месяце агентство объявило о выделении 42 миллионов долларов в течение четырех лет на создание трех новых исследовательских центров, в каждом из которых будут задействованы национальные лаборатории, университетские исследователи и отраслевые партнеры, которые будут работать над этой задачей.
«Эти инвестиции — первая скоординированная попытка разработать не только технологии, но и работающую установка для будущей индустрии», — говорит Кармен Менони, возглавляющая центр в Университете штата Колорадо.
До сих пор большая часть государственных инвестиций в исследования термоядерной энергетики направлялась на устройства, известные как токамаки, которые используют магнитные поля внутри «тора» (или «пончика») для удержания высокотемпературной плазмы, необходимой для реакций термоядерного синтеза. Именно такой подход разрабатывается в ИТЭР, международном партнерстве по строительству крупнейшей в мире термоядерной установки недалеко от Сен-Поль-ле-Дюранс, Франция. Токамаки до сих пор были в центре внимания многих инвестиционных проектов в области термоядерного синтеза в частных компаниях, но уже сегодня десятки компаний ориентируются на лазерный синтез.
По словам Менони, время для специальной программы лазерного синтеза выбрано правильно, и решение о ее реализации не было бы принято без недавнего успеха NIF: «Теперь мы знаем, что технология будет работать, но потребуется время, чтобы довести ее до уровня, когда мы сможем построить первую электростанцию».
Исследования в NIF будут продолжены. Последняя серия экспериментов показывает увеличение энергии лазера на 7%, что теоретически должно привести к еще большему выходу. Первым экспериментом в этой серии стало одно из успешных зажиганий 30 октября. Хотя это и не рекорд, входная энергия лазера в 2,2 мегаджоуля дала выходную энергию термоядерного синтеза в 3,4 мегаджоуля.
Критчер отмечает, что побить рекорд по выделению энергии с помощью новой конфигурации лазера не удалось и нужно переходить к золотому цилиндру большего размера. Но сначала команда собирается сосредоточиться на изменениях в самом лазерном импульсе, чтобы добиться более симметричного взрыва. «В следующем году у нас будет еще четыре эксперимента», — говорит она. — «Давайте посмотрим»