В течение нескольких десятилетий ученые пытаются воспроизвести ядерный синтез для питания наших электрических систем. Ядерный синтез, считающийся надежным и чистым источником энергии, представляет собой термоядерную реакцию, питающую Солнце. В конечном итоге этот источник энергии будет гораздо более доступным и нейтральным для планеты, чем большинство существующих источников.
Нынешние атомные электростанции используют энергию деления — распада тяжелых атомов на более легкие. В результате этой реакции образуются долгоживущие радиоактивные отходы, а в случае нестабильности могут произойти катастрофические аварии. Последний крупный пример — авария на АЭС «Фукусима».
В ядерном синтезе, напротив, используется энергия, выделяющаяся при соединении очень легких изотопов в тяжелые атомы. В отличие от деления, эта реакция практически не дает долгоживущих радиоактивных отходов и считается гораздо более безопасной — реакция самопроизвольно прекращается, если плазма не достигает критических порогов температуры и плотности. Еще одним существенным преимуществом является очень низкий углеродный след.
Проблемы, связанные с нестабильностью плазмы
Большинство экспериментов по ядерному синтезу основано на слиянии двух изотопов водорода: дейтерия и трития. Содержащие один и два нейтрона соответственно, эти изотопы нагреваются до очень высоких температур с образованием плазмы (состоящей из ионизированных атомов и других заряженных частиц). Подобно термоядерным реакциям на Солнце, изотопы сгорают с образованием атомов гелия.
Преимущество использования изотопов заключается в том, что их можно сплавлять при более низких температурах и плотностях, чем обычный водород. Однако стабилизация реакции представляет собой серьезную проблему для физиков.
Особенно трудно удерживать плазму в ограниченном магнитном поле очень высокой напряженности и при температурах, превышающих солнечные (сотни миллионов градусов). Плазма настолько склонна к нестабильности, что ученым никогда не удавалось поддерживать термоядерный синтез достаточно долго, чтобы извлечь больше энергии, чем было выделено для запуска реакции (в процессе, известном как зажигание). В 2022 году исследователям удалось запустить реакцию зажигания с положительным КПД, но они не смогли сделать полученную термоядерную энергию пригодной для массового потребления, особенно с технической и финансовой точек зрения.
В новом эксперименте, описанном в журнале , физики предлагают преодолеть эти трудности с помощью инновационного подхода. Методика предполагает интеграцию динамической оболочки вместо традиционных мишеней для лазерной бомбардировки, используемых для ИЯС. «Этот эксперимент продемонстрировал осуществимость инновационной концепции мишени, пригодной для доступного массового производства энергии инерциального термоядерного синтеза«, — говорит главный исследователь исследования Игорь Игуменщев из Университета Рочестера.
Более простой и менее дорогостоящий процесс
В традиционном подходе ИЯС мишень для высокоэнергетической лазерной бомбардировки состоит из небольшого количества криогенно замороженного ДТ внутри сферической оболочки. При этом термоядерное топливо удерживается инерционными силами. При контакте с лазерным лучом нагретая оболочка доводит топливо (ДТ) до экстремально высоких температур и давлений. При благоприятных условиях оболочка разрушается и воспламеняется, что приводит к слиянию изотопов.
Однако этот метод имеет ряд недостатков. Если применить его на энергопроизводящей установке, то потребуется использовать около миллиона мишеней в день. Мало того, что их производство займет много времени, так еще и криогенные процессы, обеспечивающие их изготовление, являются дорогостоящими.
Динамические оболочки производить проще и дешевле. Реакции, в которых они используются, предполагают установку жидких мишеней ДТ внутри капсул из пропитанного пенопласта. При облучении высокоэнергетическими лазерными лучами капсула расширяется, образуя тонкую оболочку, затем имплантируется и разрушается при воспламенении. Поскольку мишень жидкая, оболочка не требует криогенного процесса. Пластиковая оболочка формируется с помощью одного из самых мощных в мире лазеров OMEGA. В результате образуется оболочка с плотностью, равной плотности жидкого топлива ДТ.
Достигнув капсулы, лазер проникает в ее центр и отражается от ее внешней поверхности. Затем материал, подвергшийся удару, расширяется наружу, и давление падает под действием давления абляции лазера. В этот момент включается регулировочный удар, направленный внутрь сферы, при сохранении давления абляции. В результате этого удара аблятор и топливо сжимаются, и капсула превращается в тонкую оболочку. Затем образовавшаяся оболочка ускоряется и сжимается высокоэнергетическим формирующим лазером (OMEGA), что приводит к запуску термоядерной реакции.
Помимо простоты изготовления, динамическая оболочка не требует трубки-заполнителя и более симметрична при имплозии. Кроме того, она менее чувствительна к лазерному отпечатку и неопределенности, связанной с взаимодействием со льдом (из-за отсутствия криогенной обработки). «Сочетание этой концепции мишени с высокоэффективной лазерной системой, разрабатываемой в настоящее время в Лаборатории лазерной энергетики, откроет очень привлекательный путь к термоядерной энергии«, — полагает Игуменщев.
Однако для получения термоядерных реакций, которые могут быть применены в энергетических установках, лазерные импульсы должны быть более энергичными и длинными. Тем не менее, проведенное исследование демонстрирует возможность реализации этой новой концепции.