Fusion Ignition становится реальностью; Энергетическая безубыточность достигнута в лаборатории Лоуренса

НАУКАФИЗИКАFusion Ignition становится реальностью; Энергетическая безубыточность достигнута в лаборатории Лоуренса

Ученые из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) добились термоядерного воспламенения и безубыточности энергии. 5th В декабре 2022 года исследовательская группа провела эксперимент по контролируемому термоядерному синтезу с использованием лазеров, когда 192 лазерных луча доставили более 2 миллионов джоулей УФ-энергии крошечной топливной таблетке в криогенной целевой камере и достигли безубыточности энергии, что означает, что эксперимент по термоядерному синтезу произвел больше энергии, чем предоставленный лазером, чтобы управлять им. Этот прорыв был достигнут впервые в истории после десятилетий напряженной работы. Это важная веха в науке, имеющая серьезные последствия для перспектив использования чистой термоядерной энергии в будущем для экономики с нулевым выбросом углерода, для борьбы с изменением климата и для поддержания ядерного сдерживания, не прибегая к ядерным испытаниям в интересах национальной обороны. Ранее, 8thВ августе 2021 года исследовательская группа достигла порога термоядерного воспламенения. Эксперимент произвел больше энергии, чем любой другой предыдущий эксперимент по термоядерному синтезу, но безубыточность энергии не была достигнута. Последний эксперимент, проведенный на 5th Декабрь 2022 года совершил достижение энергетической безубыточности, тем самым предоставив доказательство концепции того, что управляемый ядерный синтез может быть использован для удовлетворения энергетических потребностей. практическое коммерческое применение термоядерной энергии может быть еще очень далеким.

Ядерные реакции дают большое количество энергии, эквивалентное количеству потерянной массы, согласно уравнению симметрии массы и энергии E = MC.Эйнштейна. Реакции деления, связанные с распадом ядер ядерного топлива (радиоактивных элементов, таких как уран-235), в настоящее время используются в ядерных реакторах для производства энергии. Однако ядерные реакторы, основанные на делении, сопряжены с высоким риском для человека и окружающей среды, что очевидно в случае с Чернобылем, и известны тем, что производят опасные радиоактивные отходы с очень длительным периодом полураспада, которые чрезвычайно трудно утилизировать.

В природе звезд, подобных нашему Солнцу, ядерный синтез, включающий слияние более мелких ядер водорода, является механизмом генерации энергии. Ядерный синтез, в отличие от ядерного деления, требует чрезвычайно высокой температуры и давления, чтобы ядра могли сливаться. Это требование чрезвычайно высокой температуры и давления выполняется в ядре Солнца, где синтез ядер водорода является ключевым механизмом производства энергии, но воссоздание этих экстремальных условий на Земле до сих пор было невозможно в контролируемых лабораторных условиях, и в результате ядерные термоядерные реакторы еще не реальность. (Неуправляемый термоядерный синтез при экстремальных температуре и давлении, создаваемый срабатыванием устройства деления, лежит в основе водородного оружия).

Еще в 1926 году Артур Эддингтон первым предположил, что звезды черпают свою энергию из синтеза водорода в гелий. Первая прямая демонстрация ядерного синтеза была проведена в лаборатории в 1934 г., когда Резерфорд продемонстрировал синтез дейтерия в гелий и заметил, что в ходе этого процесса «производился огромный эффект». Ввиду его огромного потенциала для обеспечения неограниченного количества чистой энергии ученые и инженеры всего мира предприняли согласованные усилия по воспроизведению ядерного синтеза на Земле, но это оказалось сложной задачей.

При экстремальных температурах электроны отделяются от ядер, а атомы превращаются в ионизированный газ, состоящий из положительных ядер и отрицательных электронов, который мы называем плазмой, плотность которой в миллион раз меньше плотности воздуха. Это делает среду синтеза очень слабой. Чтобы ядерный синтез происходил в такой среде (которая могла бы дать значительное количество энергии), должны быть выполнены три условия; должна быть очень высокая температура (которая может спровоцировать высокоэнергетические столкновения), должна быть достаточная плотность плазмы (чтобы увеличить вероятность столкновений) и плазма (имеющая склонность к расширению) должна удерживаться в течение достаточного периода времени для включить слияние. Это делает разработку инфраструктуры и технологий для сдерживания и контроля горячей плазмы ключевым направлением. Сильные магнитные поля можно использовать для борьбы с плазмой, как в случае токамака ИТЭР. Инерционное удержание плазмы - еще один подход, при котором капсулы, наполненные тяжелыми изотопами водорода, взрываются с помощью высокоэнергетических лазерных лучей.

В исследованиях синтеза, проведенных в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) NIF, использовались методы имплозии с лазерным приводом (синтез с инерционным удержанием). По сути, капсулы миллиметрового размера, наполненные дейтерием и тритием, взрывались мощными лазерами, генерирующими рентгеновское излучение. Капсула нагревается и превращается в плазму. Плазма ускоряется внутрь, создавая экстремальные условия давления и температуры, когда топливо в капсуле (атомы дейтерия и трития) сливаются, высвобождая энергию и несколько частиц, включая альфа-частицы. Высвобожденные частицы взаимодействуют с окружающей плазмой и еще больше нагревают ее, что приводит к большему количеству термоядерных реакций и высвобождению большего количества «энергии и частиц», тем самым создавая самоподдерживающуюся цепь термоядерных реакций (так называемое «зажигание термоядерного синтеза»).

Сообщество исследователей термоядерного синтеза уже несколько десятилетий пытается добиться «зажигания термоядерного синтеза»; самоподдерживающаяся реакция синтеза. 8th В августе 2021 года команда Лаборатории Лоуренса подошла к порогу «зажигания термоядерного синтеза», которого они достигли 5th Декабрь 2022 года. В этот день управляемое термоядерное зажигание на Земле стало реальностью — достигнута веха в науке!

 

Умеш Прасад
Умеш Прасад
Редактор журнала Scientific European

Подписка на рассылку

Быть в курсе всех последних новостей, предложений и специальных объявлений.

- Реклама -

Самые популярные статьи

Миссия Artemis Moon: к человеческому обитанию в глубоком космосе 

Спустя полвека после культовых миссий Аполлона, которые позволили...

Гравитационно-волновой фон (ГВФ): прорыв в прямом обнаружении

Гравитационная волна была обнаружена впервые в...
- Реклама -
97,431Поклонникиподобно
62,355ПодписчикиПодписаться
1,886ПодписчикиПодписаться
31ПодписчикиПодписаться