Термоядерный синтез — это природное явление, которое обеспечивает нашу планету большей частью энергии, генерируемой за миллионы миль от центра нашего Солнца.

Здесь, на Земле, ученые пытаются воспроизвести горячие и плотные условия, которые приводят к термоядерному синтезу. В центре звезды гравитационное давление и высокие температуры — около 200 миллионов градусов по Фаренгейту — заряжают атомы энергией и сжимают их достаточно близко друг к другу, чтобы сплавить их ядра и генерировать избыточную энергию.

«Конечная цель исследований термоядерного синтеза — воспроизвести процесс, который постоянно происходит в звездах», — говорит Арианна Глисон, научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики. «Два легких атома собираются вместе и сливаются, образуя одно более тяжелое и стабильное ядро. В результате избыточная масса — одно ядро ​​имеет меньшую массу, чем два, которые его образовали, — преобразуется в энергию и уносится».

Эта оставшаяся масса (m) становится энергией (E) благодаря знаменитому закону Эйнштейна E=mc.² уравнение. Осуществить термоядерный синтез на Земле на удивление просто – и за последние несколько десятилетий это достигалось много раз с использованием широкого спектра устройств. Самое сложное — сделать процесс самоподдерживающимся, чтобы одно событие термоядерного синтеза приводило к созданию устойчивой «горящей плазмы», которая в конечном итоге могла бы генерировать чистую, безопасную и обильную энергию для питания электрической сети.

«Вы можете думать об этом как о зажжении спички», — объясняет Алан Фрай. директор проекта SLAC «Материя в экстремальных условиях модернизации петаватт» (MEC-U). «После воспламенения пламя продолжает гореть. На Земле мы должны создать правильные условия — очень высокую плотность и температуру — чтобы этот процесс состоялся, и один из способов сделать это — с помощью лазеров».

Введите энергию инерционного термоядерного синтеза, или IFE, потенциальный подход к созданию коммерческой термоядерной электростанции с использованием термоядерного топлива и лазеров. IFE получил растущую национальную поддержку после того, как ученые из Национальной установки зажигания (NIF) Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) неоднократно демонстрировали реакции термоядерного синтеза, которые впервые в мире дали чистый прирост энергии.

«С помощью интенсивных лазерных лучей мы добились воспламенения, а это означает, что мы получили больше энергии от термоядерной мишени, чем энергия лазера, вложенная в нее», — объяснил Зигфрид Гленцер, профессор фотонной науки и директор научного отдела SLAC по плотности высокой энергии.

Инерционный термоядерный синтез: как это работает

Техника, используемая в NIF, известная как термоядерный синтез с инерционным удержанием, является одной из двух основных идей, изучаемых для создания термоядерного источника энергии. Другой, известный как термоядерный синтез с магнитным удержанием, использует магнитные поля для удержания термоядерного топлива в форме плазмы.

При термоядерном синтезе с инерционным удержанием плазма создается с использованием мощных лазеров и небольшой гранулы, наполненной водородом — обычно дейтерием и тритием, изотопами с одним и двумя нейтронами в ядре соответственно. Таблетка окружена легким материалом, который испаряется наружу при нагревании лазерами. И когда это происходит, возникает внутренняя реакция, приводящая к взрыву.

«По сути, это сферическая ракета», — объясняет Фрай. «Выбрасывая выхлопные газы наружу, ракета движется в противоположном направлении. В этом случае испаренный материал снаружи гранулы подталкивает изотопы водорода к центру».

Лазеры необходимо применять точно, чтобы получить симметричную ударную волну, движущуюся к центру водородной смеси, создавая температуру и плотность, необходимые для начала реакции термоядерного синтеза. В событиях зажигания NIF используются 192 лазерных луча, чтобы создать взрыв и вызвать синтез изотопов.

«Лазерные технологии и наше понимание процесса термоядерного синтеза продвинулись настолько быстро, что теперь мы можем использовать удержание лазера для создания горящей плазмы в результате каждого термоядерного процесса», — сказал Глисон.

Более быстрые и эффективные лазеры

Но впереди еще долгий путь. По мнению экспертов, лазеры, используемые для получения энергии инерционного термоядерного синтеза, должны иметь возможность стрелять быстрее и стать более электрически эффективными.

Лазеры в НИФ настолько большие и сложные, что могут стрелять только три раза в день. Чтобы создать источник энергии инерционного термоядерного синтеза, по словам Гленцера, «нам нужны лазеры, которые могут работать 10 раз в секунду. Поэтому нам необходимо объединить результаты термоядерного синтеза NIF с эффективными технологиями лазерных и топливных мишеней».

Фрай использует аналогию с поршнем в цилиндре автомобиля, чтобы описать, как отдельные реакции термоядерного синтеза складываются для генерации устойчивой энергии. «Каждый раз, когда вы впрыскиваете топливо и воспламеняете его, оно расширяется и толкает поршень вашего двигателя», — сказал он. «Чтобы заставить вашу машину двигаться, вам нужно делать это снова и снова со скоростью тысяч оборотов в минуту — или десятков раз в секунду, и это именно то, что нам нужно делать с энергией инерционного термоядерного синтеза, чтобы превратить ее в жизнеспособный, непрерывный процесс». , устойчивый источник энергии».

«Чтобы достичь прироста энергии, необходимого для экспериментальной термоядерной установки, нам нужно перейти от примерно в два раза большего количества энергии, выделяемой, чем поступающей (текущий прирост энергии в экспериментах NIF), к приросту энергии, в 10–20 раз превышающему энергию лазера, которую мы вкладываем». «, — сказал Гленцер. «У нас есть моделирование, которое показывает, что это не необоснованная цель, но для ее достижения потребуется много работы».

Более того, текущие оценки выигрыша энергии от воспламенения не включают всю энергию или электричество, необходимое для создания лазерного выстрела. Чтобы сделать IFE энергетическим решением, необходимо увеличить эффективность всей системы или розетки, что потребует прогресса в обоих направлениях: больше энергии будет выделяться из реакции термоядерного синтеза и меньше энергии будет поступать в лазер, говорит Фрай.

Недавно объявленные центры науки и технологий инерционного термоядерного синтеза, спонсируемые Министерством энергетики США, объединяют опыт различных учреждений для решения этих проблем.

SLAC является партнером двух из трех центров, принося опыт и возможности лаборатории в области лазерных экспериментов с высокой частотой повторения, лазерных систем и всех сопутствующих технологий.

«Одним из интересных событий являются новые лазерные установки, планируемые в Университете штата Колорадо и SLAC», — говорит Гленцер, заместитель директора центра RISE, возглавляемого CSU. Мощная лазерная установка в CSU и проект MEC-U в источнике когерентного света Linac SLAC будут основаны на новейшей лазерной архитектуре и будут подавать лазерные импульсы со скоростью 10 импульсов в секунду.

«LCLS последние десять лет использует лазеры со скоростью более 100 импульсов в секунду, а это означает, что у нас есть очень сильный технологический опыт в проведении экспериментов с высокой частотой повторений», — сказал Гленцер. «Мы разработали новые мишени, средства диагностики и детекторы, которые могут использовать преимущества высокой частоты повторения, являются уникальными для этой области и хорошо соответствуют тому, чего мы хотим достичь с помощью IFE».

Но еще многое предстоит узнать о том, как точно поражать цель в центре камеры 10 раз в секунду таким образом, чтобы обломки цели и термоядерная энергия не влияли и не повредили лазеры или установку цели.

По словам Фрая, как партнер центра STARFIRE, возглавляемого LLNL, SLAC будет способствовать созданию подробных технических требований к лазерным системам для IFE, которые тесно связаны с теми, которые будут созданы для проекта MEC-U, реализуемого в SLAC, говорит Фрай.

«В передовых лазерах MEC-U будет использоваться более эффективный способ подачи энергии в лазер и усовершенствованная схема охлаждения для работы с более высокой частотой повторения. Технологии, которые мы разрабатываем, и научные вопросы, на которые мы можем ответить с их помощью, таковы: убедительно для IFE».

Кроме того, сверхяркие рентгеновские лучи от LCLS могут помочь ученым понять, что происходит с водородным топливом во время термоядерного синтеза или что происходит с материалом, который выдувается из гранулы и вызывает взрыв.

Заставляем материалы и людей работать

Фактически, материалы играют ключевую роль в развитии IFE, говорит Глисон. «Использовать лазеры для равномерного и сферического взрыва мишени очень сложно, потому что материалы всегда имеют дефекты: есть дислокация, дефект, химическая неоднородность, шероховатость поверхности, пористость на мезоуровне. Короче говоря, всегда есть вариации и дефекты в материалы».

По ее словам, одна из вещей, которые ее волнуют, — это лучшее понимание материалов, используемых в IFE, на атомном уровне для тестирования и уточнения физических моделей для конкретных конструкций IFE.

«В SLAC у нас есть феноменальные инструменты для глубокого изучения материалов. Понимая физику несовершенств, мы можем превратить их «недостатки» в особенности, которые можно будет учесть при их проектировании — у нас может быть множество ручек, которые можно поворачивать при настройке сжатия. в процессе слияния».

Еще одна серьезная задача, которую стремятся решить все трое исследователей, — это создание рабочей силы, необходимой для проведения исследований и управления термоядерными энергетическими установками будущего.

По словам Гленцера, эти центры предусматривают финансирование участия студентов. «Мы будем обучать следующее поколение ученых и технических специалистов, чтобы они могли воспользоваться этими новыми возможностями».

Фрай и Глисон также решительно настроены привлечь людей в эту область, чтобы термоядерная энергия по мере своего развития стала инклюзивным предприятием.

«Нам потребуются инженеры, техники, операторы, специалисты по кадрам, закупкам и т. д.», — сказал Глисон. «Я думаю, что многие молодые люди могут сплотиться вокруг термоядерного синтеза и почувствовать себя уполномоченными, сделав что-то, что отодвинет климатический кризис – они хотят увидеть перемены в своей жизни».

Гленцер убежден, что так и будет. «Люди предполагали, что на строительство термоядерной электростанции уйдет 30 лет, но недавний прорыв в области зажигания приблизил эту перспективу к реальности. За последние 10 лет работы в НИФ мы уже увеличили коэффициент термоядерного синтеза на 1000». он сказал.

«Потенциал чистого, справедливого и обильного источника энергии, а также всей науки и технологий, которые сопровождают развитие термоядерной энергетики, очень интересен».

LCLS — это пользовательский центр Управления науки Министерства энергетики США. Энергетические центры термоядерного синтеза были созданы в рамках программы исследований и технологий ускорителей энергии инерционного термоядерного синтеза Министерства энергетики США (IFE-STAR).