В ходе ряда экспериментов сотрудники Национального комплекса лазерных термоядерных реакций США получили выход энергии плазмы свыше 60 килоджоулей. Это приближает исследователей к ключевому порогу, при котором реакция синтеза станет самоподдерживающейся.
О достижениях специалистов в области ядерной энергетики рассказали на собрании Отдела физики плазмы Американского физического общества. Отдел плазмы физики Американского физического общества ). Также об этом пишетСайт Sciencemag, новостной ресурс Американской ассоциации достижений науки — AAAS), ссылаясь на Марка Херрманна (Mark HerrmannРуководителем программы по исследованиям управляемого термоядерного синтеза (УТС) в национальной лаборатории имени Лоуренса в Ливерморе является… NIF.
Геррманн сообщил о том, что в ходе эксперимента удалось добиться величины, значительно превосходящей порог в 60 килоджоулей, при этом результат стабильно воспроизводится. Следующие залпы установят… NIFЭнерговыделение в 100 килоджоулей позволит ученым создать самоподдерживающуюся термоядерную реакцию и зажечь плазму. Достижение выхода энергии в 70-90 килоджоулей будет также большим успехом, так как при этом произойдет саморазогрев плазмы, но не «горение».
С 2010 года функционирует комплекс лазерных термоядерных реакций, за время работы которого проведено около трёх тысяч экспериментов с использованием двухсот лазеров. Изначальная цель NIFВедутся эксперименты по созданию и поддержанию управляемых реакций синтеза. В центре комплекса находится вакуумная камера, куда помещают специальные мишени с термоядерным топливом (дейтерий плюс тритий). Мишени облучают чрезвычайно мощными и кратковременными импульсами ультрафиолетового лазера, что вызывает резкое сжатие и нагрев топлива. В результате этого возникает реакция синтеза ядер.
Одна из особенностей установки NIFИспользуется технология сжатия и нагрева плазмы. Капсулу с топливом облучают лазерами не прямо, а через специальный контейнер — хольраум. hohlraumИзготовленный из золота, при нагревании он излучает рентгеновские лучи. Контейнер спроектирован таким образом, чтобы это излучение равномерно падало со всех сторон на капсулу с топливом. Капсула резко испаряется, и дейтерий с тритием оказываются одновременно сильно сжаты и нагреты до миллионов градусов. Термоядерная реакция длится несколько мгновений.
Казалось бы, процессы просты, но схема заработала лишь как бомба. Каждый последующий опыт управляемого термоядерного синтеза открывает всё новые трудности и ограничения. Так, в первые три года после запуска… NIFУстановка произвела энерговыделение плазмы всего лишь в один килоджоуль. Мощность рентгеновского потока в хольрауме составляла 21 килоджоуль, а лазерный импульс для его создания имел мощность 1,8 мегаджоуля. Разогрев плазмы не соответствовал теоретическим расчетам из-за ранее неучтенных факторов — от микрометровых неровностей на капсуле с топливом до искажения пучка рентгеновского излучения поддерживающими мишень проводами.
Разочаровывающие результаты не могли не повлиять на репутацию всей программы исследования управляемого термоядерного синтеза. Тем более что строительство Национального комплекса лазерных термоядерных реакций стоило американским налогоплательщикам четыре миллиарда долларов (в четыре раза больше первоначального бюджета). После первой кампании экспериментов команде NIFПроект не достиг поставленных целей, что поставило его существование под угрозу.
Распределение «выстрелов» установки происходит следующим образом: около 10% направляется на фундаментальные физические исследования, еще 30% — на эксперименты по управляемому термоядерному синтезу, а остальные выполняют задачи, интересные военным для симуляции взрывов термоядерных бомб в целях проверки надежности боеголовок. NIF ничего не добились на поприще УТС.
Анализируя эксперименты 2013 года с энерговыделением плазмы в пределах 10-14 килоджоулей, установили, что топливо поглотило меньше энергии в виде рентгеновского излучения, чем выделила реакция синтеза. Это стало серьёзным достижением, пусть и не таким впечатляющим, как планировалось. Впоследствии комплекс модернизировали, добавив детекторы в вакуумную камеру и увеличив мощность лазеров. Благодаря этому удалось изучить поведение мишени внутри хольраума во время облучения и возникновения реакции.
Итоговые улучшения на всех этапах эксперимента привели к значительному повышению энерговыделения плазмы.
Для этого пришлось изменить схему работы лазеров, теперь которые не облучают мишень одновременно, а испускают импульсы последовательно по сложной схеме. Также повысили точность изготовления хольраума и провели серию опытов с разными материалами капсулы для топлива.
На основе всей работы за прошедшие десять лет Марк Херрманн предсказывает зажигание плазмы в следующей кампании экспериментов.
Успешно ли американским учёным удастся достичь заветного рубежа термоядерной энергетики – покажет время. Пока на всех направлениях освоения управляемого синтеза прогресс идёт медленно. Слишком много проблем возникает при попытках «укротить» фундаментальные физические процессы Вселенной. И несмотря на все модели и прогнозы, каждый последующий эксперимент может преподнести неожиданность, ставя под сомнение радужные перспективы. История Национального комплекса лазерных термоядерных реакций – тому подтверждение.