Американские учёные из National Ignition Facility улучшили эффективность магнитных полей и добились в троекратном увеличении выхода чистой энергии во время эксперимента с термоядерным синтезом.
Комплекс национальной установки зажигания (NIF), масштабом сравнимый с футбольным полем, представляет собой уникальное достижение в области энергетики. Уникальная энергия и мощность NIF расширяют горизонты научных исследований и закладывают основу для создания экологически чистого и надежного источника энергии.
NIF – самая точная в мире лазерная система. Система точно направляет, усиливает, отражает и фокусирует 192 мощных лазерных луча в цель размером с карандашный ластик за несколько миллиардных долей секунды, обеспечивая более 2 миллионов джоулей ультрафиолетовой энергии и 500 триллионов ватт мощности.
NIF достигает температуры около 100 миллионов градусов Цельсия и давления более 100 миллиардов земных атмосфер. Такой экстремальный режим приводит к слиянию атомов водорода в мишени, что высвобождает энергию в контролируемой термоядерной реакции.
Ядерный синтез может стать чистым источником энергии без радиоактивных отходов и парниковых газов. Известно, что изотопы водорода для термоядерного синтеза распространены на Земле и постоянно пополняются. Проблема в том, чтобы поддерживать высокую температуру топлива длительное время.
Последние исследования NIF доказали, что магнитное поле усиливает нагрев, позволяя получать значительно больше энергии при использовании метода инерциального термоядерного синтеза (ICF), где ядерная реакция запускается лазерными импульсами. Результат опубликован в научном журнале. .
Инерционный термоядерный синтез
Инерционный термоядерный синтез, использованный в исследовании, заключается в использовании лазерных лучей для передачи энергии дейтерию и тритию, заключённым в капсуле диаметром несколько миллиметров. Капсула сжимается до высокой плотности и нагрева, что приводит к её ионизации и образованию плазмы.
Имеются две схемы инерционного термоядерного синтеза. В схеме прямой атаки лазерные лучи воздействуют на капсулу из изотопов водорода. Другая схема предусматривает помещение капсулы в металлический цилиндр сантиметровой длины с двумя отверстиями для лазерных лучей. Лазеры нагревают внутренние поверхности цилиндра, излучая рентгеновские лучи, которые сжимают капсулу и вызывают реакцию синтеза. В NIF используется именно эта схема.
Магнетизм — ключ к зажиганию?
В 2012-м году, как указывается в статье журнала… Учёные из лазерной установки OMEGA Рочестерского университета показали, что магнитное поле может существенно влиять на тепловой поток в топливе, разогретом лазером. Поле изолирует самую горячую область топлива, предлагая способ улучшить нагрев и, возможно, эффективность реакции.
Джон Муди, сотрудник Национального центра зажигания в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии и ведущий автор проекта, говорит: «Это как толстый рукав из пенопласта, который сохраняет кофе горячим, не обжигая руку».
При наличии магнитного поля электроны в плазме движутся по спиральным траекториям вдоль линий магнитного поля, реже сталкиваясь. Такое поведение замедляет тепловой поток к более холодному топливу и обеспечивает дополнительное тепло в горячей точке, приближая к уровню, необходимому для самоподдерживающегося зажигания.
Эксперименты NIF приблизились к точке воспламенения. Вырабатываемая в ходе экспериментов энергия полностью компенсируется затраченной энергией для поддержания самоподдерживаемых реакций в плазме. Тем не менее, достижение зажигания является важным этапом на пути создания системы, которая производит больше энергии на выходе, чем на входе.
Небольшие корректировки способны принести ощутимые улучшения.
Сложность термоядерных экспериментов такова, что малейшие изменения в их настройках могут приводить к существенным результатам. По этой причине учёные применяют компьютерное моделирование для анализа возможных выгод намагничения для эффективности NIF.
Традиционно используют топливную капсулу, находящуюся внутри золотого цилиндра. Но сильное магнитное поле создает электрические токи в стенках цилиндра, разрушая его. Чтобы обойти эту проблему, Муди и коллеги экспериментировали со сплавами для создания металлического цилиндра с низкой электропроводностью. Они обнаружили, что сплав золота и тантала выдерживает высокое магнитное поле.
В эксперименте с намагниченностью вокруг цилиндра из сплава с топливной капсулой, заполненной дейтерием, был намотан провод. Перед включением лазеров магнитное поле в 26 Тесла было приложено через катушку, пропущенную током.
На NIF образовалась горячая точка, которая была на 40% горячее и выделила более чем в три раза больше энергии по сравнению с предыдущими экспериментами. Это лучше ожидаемого результата. По словам физика плазмы из Французской комиссии по альтернативным источникам энергии и атомной энергии (CEA) Паскаля Луазо, эти результаты «замечательны» и являются доказательством концепции магнитной помощи на NIF.
Для безопасности эксперимент выполнили с упрощенной настройкой: использовали только дейтерий и умеренную лазерную мощность. В будущих экспериментах при большей мощности, где применяются два вида водорода (дейтерий и тритий), Муди ожидает второго эффекта, который повысит производительность. Высокоэнергетические частицы от ядерных реакций задерживаются линиями поля. Заряженные частицы проводят больше времени в горячей точке, накапливая энергию, что обеспечивает больше тепла перед покиданием этой точки.
Эти результаты подсказывают, что магниты могут стать основой для развития футуристической формы энергии, способной теоретически обеспечить практически неограниченное количество чистой энергии.