28.12.2022. - Лазер из Звездного пути будет испытан в термоядерном проекте

Лазер из Звездного пути будет испытан в термоядерном проекте

Прорыв произошел за невероятно короткий промежуток времени, меньше, чем требуется лучу света, чтобы сдвинуться на дюйм. В этот крошечный момент ядерный синтез как источник энергии превратился из далекой мечты в реальность. Сейчас мир борется с последствиями этой исторической вехи. Для Артура Пака и бесчисленного множества других ученых, которые потратили десятилетия на то, чтобы добраться до этой точки, работа только начинается. Перед Паком и его коллегами из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса стоит непростая задача: сделать это снова, но лучше и масштабнее.

Это означает совершенствование использования самого большого в мире лазера, размещенного в лаборатории National Ignition Facility, которую поклонники научной фантастики узнают по фильму «Звездный путь: Возмездие», когда он использовался в качестве набора для варп-ядра звездолета. Предприятие. Сразу после часа ночи 5 декабря лазер выпустил 192 луча тремя тщательно модулированными импульсами в цилиндр, содержащий крошечную алмазную капсулу, наполненную водородом, в попытке запустить первую термоядерную реакцию, которая произвела больше энергии, чем потребовалось для создания. Это удалось, начав путь к тому, что, как надеются ученые, когда-нибудь станет новым безуглеродным источником энергии, который позволит людям использовать тот же источник энергии, который освещает звезды.

Пак, который присоединился к лаборатории Лоуренса Ливермора за пределами Сан-Франциско в 2010 году, проснулся в тот день в 3 часа ночи, не в силах сопротивляться проверке первоначальных результатов в своем доме в Сан-Хосе. Он пытался бодрствовать во время самого выстрела, но в конце концов сдался, поскольку кропотливая подготовка к эксперименту затянулась до поздней ночи. «Если бы вы не ложились спать после каждого выстрела, каждый раз в течение 10 лет, вы бы сошли с ума», — сказал он. В течение последних нескольких месяцев было ясно, что его команда приближается, и в предрассветной темноте он проверил ключевое число, которое могло бы показать, преуспели ли они, — количество нейтронов, произведенных взрывом. «Когда я увидел этот номер, я был поражен», — сказал он. «Вы можете работать всю свою карьеру и никогда не увидеть этого момента. Вы делаете это, потому что верите в цель и вам нравится вызов», — сказал Пак, руководитель диагностического эксперимента. «Когда люди собираются вместе и работают сообща, мы можем делать удивительные вещи».

Команда Лоуренса Ливермора — исследовательской лаборатории, финансируемой государством, — скорее всего, проведет следующий тест в феврале, а в последующие месяцы будет проведено еще несколько экспериментов. Цель будет состоять в том, чтобы продолжать увеличивать количество энергии, вырабатываемой в реакции. Это значит, что нужно больше возиться: использовать больше лазерной энергии. Точная настройка лазерного взрыва. Генерация большего количества рентгеновских лучей внутри мишени — ключевой этап процесса — с использованием того же количества энергии. Может быть, в конце концов, модернизировать сам объект, решение, которое потребует поддержки со стороны Министерства энергетики и огромного объема финансирования. На все это потребуются годы, если не десятилетия, начиная с небольших экспериментов ливерморской лаборатории Лоуренса, которые длятся всего наносекунды.

«Нам нужно выяснить: можем ли мы сделать это проще? Можем ли мы сделать этот процесс проще и более воспроизводимым? Можем ли мы начать делать это чаще, чем один раз в день?» — сказал Ким Будил, директор ливерморской лаборатории Лоуренса. «Каждый из них — невероятная научная и инженерная задача для нас». Большинство экспертов прогнозируют, что в мире по крайней мере 20-30 лет до того, как термоядерная технология станет жизнеспособной в масштабе, достаточно большом и доступном для производства коммерческой энергии. Этот график выводит термоядерный синтез за пределы масштабов значительного использования для достижения мировых целей по нулевым выбросам к 2050 году. В этом смысле термоядерный синтез может быть безуглеродным источником энергии в будущем, но не для нынешнего глобального энергетического перехода, с которым предстоит столкнуться. сплошные препятствия.

Термоядерный синтез привлекал внимание ученых на протяжении десятилетий. Он уже используется, чтобы придать современному ядерному оружию его разрушительную силу, но мечта состоит в том, чтобы приручить его для удовлетворения гражданских потребностей в энергии. Если его можно будет масштабировать, это приведет к созданию электростанций, которые днем и ночью поставляют электроэнергию в изобилии, не выбрасывая парниковых газов. И в отличие от сегодняшней ядерной энергетики, которая возникает в результате процесса, называемого делением, она не будет создавать долгоживущие радиоактивные отходы. Целые поколения ученых преследовали ее. Главный научный советник президента Джо Байдена Арати Прабхакар провел лето, работая над программой лазерного синтеза в лаборатории, будучи 19-летним студентом колледжа в брюках-клеш в 1978 году. «Это потрясающий пример того, чего можно добиться упорством», — сказала она на пресс-конференции на прошлой неделе. «Вот как вы делаете действительно большие, сложные вещи».

Успешный лазерный выстрел вызвал термоядерные реакции, генерирующие мощность 3,15 мегаджоуля, что превышает 2,05 мегаджоуля, генерируемого лазером. Это был важный порог, впервые из лазера вышло больше энергии, чем поступило. Но уравнение должно быть гораздо больше наклонено в сторону того, сколько получится, чтобы стать коммерчески жизнеспособным. В то время как сегодняшние атомные электростанции используют деление, расщепляющее атомы, синтез объединяет атомы. Исследователи Fusion пошли по двум основным направлениям. Лоуренс Ливермор, используя процесс, называемый инерционным удержанием, взрывает цели лазерными лучами, взрывая небольшое количество водорода, пока он не сливается в гелий. Коммерческая установка, использующая этот подход, должна будет повторять процесс снова и снова, очень быстро, чтобы вырабатывать достаточно энергии для питания электросети.

Многие компании разрабатывают инерционные системы удержания, хотя есть и существенные различия. Некоторые ищут разные материалы для мишени, в то время как другие используют ускорители частиц вместо лазеров, запуская реакцию синтеза, сталкивая атомы друг с другом. Основная конкурирующая идея называется магнитным удержанием, с системами, создающими облако плазмы, перегретой до сотен миллионов градусов, что может вызвать термоядерную реакцию. Мощные магниты контролируют плазму и поддерживают реакцию. Этот подход еще не привел к выигрышу в чистой энергии, и этот подход сталкивается с проблемами, включая разработку более совершенных магнитов и создание материалов, которые могут выдерживать сверхвысокие температуры и использоваться для контейнеров для содержания плазмы.

По данным торговой группы Fusion Industry Association, на сегодняшний день около 5 миллиардов долларов финансирования было направлено на термоядерные компании, причем подавляющее большинство из них направлено на технологии магнитного удержания. Инерционное удержание может лучше подходить для доказательства того, что термоядерный синтез может работать, сказал Адам Стейн, директор по инновациям в области ядерной энергетики в Институте прорыва, исследовательской группе из Окленда, Калифорния. Но в долгосрочной перспективе, когда дело доходит до коммерциализации, «магнитное удержание плазмы, скорее всего, будет успешным», — сказал он.

На оттачивание каждой части процесса в ливерморской лаборатории Лоуренса ушли годы. Большая часть успеха зависела от точности. Все топливные капсулы содержат мельчайшие дефекты, которые могут существенно повлиять на ход реакции. Так же как и замороженный водород внутри, смесь изотопов дейтерия и трития. Команда часто производила водородный лед, снова расплавляла его и повторяла несколько попыток перед выстрелом, надеясь получить наилучшую возможную цель и увеличить шансы на успех. Каждый, кто работает над термоядерным синтезом, «должен быть оптимистом», — сказала Дениз Хинкель, физик, которая занимается улучшением предсказательной способности компьютерного моделирования программы и проработала в Лоуренсе Ливерморе 30 лет. - Иначе ты бы не остался в поле.

По словам Жана-Мишеля Ди Никола, главного инженера лазера Национального центра по воспламенению, к лету этого года гигантский лазер сможет производить примерно на 8% больше энергии, чем во время выстрела в этом месяце. Майкл Штадерманн, руководитель программы изготовления мишеней, сказал, что лаборатория также разрабатывает компьютерную программу, которая может исследовать оболочки топливных капсул на наличие дефектов намного быстрее, чем люди. Они также работают с производителем капсул над улучшением процесса изготовления.

Вполне возможно, что прорыв Лоуренса Ливермора останется всего лишь моментом научной истории, а не ознаменует собой начало новой термоядерной промышленности, питающей весь мир. Преодоление разрыва между экспериментом и коммерциализацией может занять десятилетия, если это вообще произойдет. И магнитное удержание может в конечном итоге стать методом термоядерного синтеза, который выиграет, обеспечив мир изобилием чистой энергии. Пак, тихий человек с копной каштановых волос и сообразительностью, сказал, что результат его не разочарует. «Они могут учиться у нас — мы можем учиться у них», — сказал 40-летний Пак. «Когда я состарюсь, я буду очень доволен своим вкладом».

Источник