Национальная лаборатория открывает путь ядерного синтеза — настоящий прорыв, новаторский закон или и то, и другое?

Первое историческое событие: внутри Национальной установки зажигания, где на прошлой неделе 192 лазерных луча взорвали таблетку водородного топлива, которая излучала больше энергии, чем потребляла.

Ядерный синтез уже давно стал Святым Граалем по-настоящему чистой энергии. Столкновение атомов водорода обещает безграничное электричество с нулевыми выбросами углерода, минимумом радиоактивных отходов и нулевой вероятностью катастрофического расплавления. Но на протяжении полувека учёные, занимающиеся термоядерным синтезом, были ограничены мощностью своих лазеров и силой своих магнитных полей – никогда прежде им не удавалось выяснить, как выжать больше энергии из разрушения атомов, чем они вложили. До сих пор.

Сегодня ученые из Национальной установки зажигания Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) в Калифорнии сообщат, что в начале декабря им впервые удалось добиться прироста энергии, превышающего 1, то есть больше энергии было излучено из реакции внутри их дейтерий-тритиевой топливной капсулы (2000 мегаджоулей), чем содержалось в 192 лазерах, которыми они ее взорвали.

Это большое событие, которое стоит отпраздновать, но в некоторой степени предрешено, говорит Дебра Каллахан, физик плазмы, которая недавно покинула команду LLNL по термоядерному синтезу, чтобы стать научным директором стартапа Focused Energy, который уже работает над коммерциализацией этого подхода.

Каллахан знал, что LLNL достигнет чистого прироста энергии после того, как в прошлом году они достигли 72% потребляемой энергии лазера. «Для меня это не сюрприз. Учитывая результаты, которые мы наблюдали, это должно было произойти», — говорит она. Им просто нужно было немного больше мощности лазера.

Итак, как это работает? В Ливерморской лаборатории Лоуренса, в центре лабиринта стальных труб, проводов и причудливой электроники размером с три футбольных поля, находится крошечный полый цилиндр из золота, который умещается на ладони. Это называется хольраум. Внутри хольраума ученые поместили крохотную топливную капсулу, наполненную дейтерием и тритием — однопротонными изотопами водорода.

Команда Национального проекта зажигания использует золото, потому что оно удерживает рентгеновские лучи, образующиеся при бомбардировке обоих концов хольраума 192 самыми мощными в мире лазерами. Каллахан говорит: «Это похоже на рентгеновскую печь», которая сжимает топливо настолько, что оно взрывается и вызывает синтез атомов в центре капсулы. Затем термоядерная реакция распространяется волной из центра, излучая колоссальное тепло — 2,5 мегаджоуля в случае исторического снимка на прошлой неделе. Все это происходит за миллиардную долю секунды.

В подходе к термоядерному синтезу с инерционным удержанием лазерные лучи взрывают гранулу, содержащую изотопы водорода, запуская реакцию термоядерного синтеза.

Почему Каллахан покинул LLNL, когда они были на пороге успеха? Потому что, говорит она, Национальный центр зажигания — это не термоядерная машина. Хольраум отлично подходит для демонстрации воспламенения, но он не обязательно достаточно эффективен для разработки непрерывного импульсного синтеза, поскольку очень много остаточной лазерной энергии теряется при нагреве золота, а не водородного топлива. Поэтому в компании Focused Energy (при поддержке Prime Movers Lab и New Enterprise Associates) план состоит в том, чтобы отказаться от хольраума и вместо этого использовать подход «прямого привода» — направлять лазеры непосредственно на топливную капсулу (см. схему).

Они еще не продемонстрировали, что это работает, но Каллахан уверен, что через пару лет их пилотный проект обеспечит 10-кратный прирост энергии. За этим последует вторая установка, которая достигнет 30-кратного прироста, а затем в конце 2030-х годов появится их первый коммерческий генератор, который, как мы надеемся, достигнет 100-кратного прироста энергии и будет взрывать 10 топливных капсул каждую секунду.

Но в этом заключалась особая проблема. При скорости 10 в секунду их машина будет использовать около 900 000 капсул в день. Это не то же самое, что забрасывать уголь в печь; каждая капсула должна была быть изготовлена ​​в соответствии со строгими стандартами и заправлена ​​в машину в точное время.

***