В прошлом году специалисты из Национального центра зажигания сделали важный шаг в ядерном синтезе: реакция синтеза стала самоподдерживающейся, то есть достигнуто порога зажигания. В течение года исследователи изучали условия эксперимента, позволившие получить такой результат. Анализ показал, что NIF достиг критерии Лоусона.
Национальная установка зажигания (NIF) применяет 192 мощных лазерных луча (до 1,9 мегаджоуля), чтобы нагреть и сжать капсулу с дейтерием и тритием, вызывая реакции ядерного синтеза. Такой подход называется инерционным термоядерным синтезом (в отличие от магнитного термоядерного синтеза, применяемого в токамаках). 8 августа 2021 года во время эксперимента была высвобождена рекордная энергия — 1,3 мегаджоуля, эквивалентная мощности в 10 квадриллионов ватт на протяжении 100 триллионных долей секунды. Это приблизило исследователей к термоядерному зажиганию.
«Этот достижение представляет собой значительный научный прогресс в области исследований термоядерного синтеза, демонстрирующий возможность проведения лабораторного термоядерного зажигания на установке NIF. — заявил Омар Харрикейн, главный научный сотрудник Ливерморской национальной лаборатории по термоядерному синтезу с инерционным удержанием Лоуренса (LLNL). Однако повторить это достижение команде так и не удалось. Через год после этого исторического успеха результаты эксперимента опубликованы в трёх статьях, размещённых в журналах Physical Review Letters и Physical Review E.
В статьях приводятся сведения о конструкции установки, её усовершенствованиях и результатах экспериментов. Изначально в начале 2021 года команда NIF продемонстрировала возможность производства горячей плазмы — высокотемпературного ионизированного газа, где главным источником нагрева топлива являются сами термоядерные реакции (а не лазерные импульсы). Тем не менее, для поддержания реакции всё ещё требовался энергия от лазера.
Чтобы ядерный синтез стал источником энергии, реакция должна быть самоподдерживающейся. Это значит поддерживать плазму при температуре свыше 100 миллионов градусов достаточно долго, чтобы скорость производства энергии при термоядерном синтезе превосходила скорость её потери в окружающую среду (теплопроводностью и излучением).
Для достижения такого состояния реакция должна вырабатывать больше энергии, чем теряет: избыток может использоваться для нагрева других частей топлива до начала новой реакции синтеза и так далее. Этот порог был описан физиком Джоном Лоусоном в 1966 году. «Критерий Лоусона» гласит, что воспламенение наступает при достижении определенного порога произведения плотности плазмы и времени удержания.
Внеся ряд усовершенствований в эксперимент, исследователи стремились соответствовать заданному критерию. Изменения коснулись физического дизайна и качества мишени. В частности, уменьшили трубу, заполняющую водородную капсулу, а также размеры входных отверстий лазера в хольрауме, где находится капсула — это потребовало меньше энергии для её нагрева на начальном этапе. Кроме того, улучшили геометрию капсулы и повысили стабильность воздействия 192 лазерных лучей.
Анализ данных эксперимента подтверждает, что критерий Лоусона (и порог зажигания) был достигнут 8 августа 2021 года, что является позитивным фактором для исследований и развития ядерного синтеза. Однако команде до сих пор не удаётся повторить полученные показатели. Энни Критчер, физик из LLNL и автор статьи о структуре эксперимента, указывает на множество переменных, каждая из которых может влиять на результат.
«Вектор движения 192 лазерных лучей меняется с каждым выстрелом. Качество целей неодинаковое, а слой льда на каждой мишени формируется с разной шероховатостью. — Объясняет она. Небольшие изменения в конструкции материалов топливных капсул или в мощности лазеров могут оказывать влияние на итоговую энергетическую отдачу.
Проведенные за прошедший год эксперименты дали выход в диапазоне от 430 до 700 кДж, как отмечает команда. С собранными данными команда проекта сможет лучше понять основополагающие процессы зажигания и свойственную этому новому и особенно чувствительному экспериментальному режиму изменчивость. Работаем мы в режиме, к которому ни один ученый не имел доступа с момента завершения атомных испытаний. Это уникальный шанс глубже понять мир в ходе дальнейших исследований. «, — восторгается Омар Харрикейн.
Теперь получится совершенствовать установку для воспроизведения рекордных показателей прошлого года и сделать эксперимент более устойчивым к ошибкам для его легкого повторения. Цель – производство энергии, сравнимой с мощностью лазеров (эффективность эксперимента 8 августа 2021 года составила около 72%). Это необходимо для того, чтобы электростанции на основе ядерного синтеза однажды стали реальностью.