Американські вчені досягли довгоочікуваного прориву в термоядерному синтезі
Дослідникам з Ліверморської національної лабораторії ім. Лоуренса в Каліфорнії вдалося добути більше енергії за допомогою термоядерної реакції, ніж вони витратили на її підтримку.
Про це повідомляє Nature.
Американські вчені вперше досягли явища, відомого як термоядерне запалювання – створення ядерної реакції, яка генерує більше енергії, ніж споживає. Результати прориву на Національному комплексі лазерних термоядерних реакцій США (National Ignition Facility, NIF) вразили світову спільноту дослідників термоядерного синтезу.
Ці дослідження спрямовані на використання ядерного синтезу – явища, яке живить Сонце – для забезпечення джерела майже безмежної чистої енергії на Землі. Дослідники застерігають, що, попри останні успіхи, до досягнення цієї мети залишається довгий шлях.
"Це неймовірне досягнення", – каже Марк Германн, заступник директора з фундаментальної фізики озброєнь Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса в Каліфорнії, де розташована термоядерна лабораторія. За словами Германна, цей знаковий експеримент став результатом багаторічної роботи численних команд над усім – від лазерів і оптики до мішеней і комп'ютерних моделей.
Фото: Jason Laurea/Lawrence Livermore National Laboratory
Чого досяг NIF?
Установка використовувала свій набір зі 192 лазерів для доставки 2,05 мегаджоуля енергії на капсулу розміром з горошину, що містила заморожену гранулу ізотопів водню дейтерію і тритію. Імпульс енергії спричинив руйнування капсули, створивши температуру, яка спостерігається лише у зірках та термоядерній зброї, а ізотопи водню злилися у гелій, вивільнивши додаткову енергію та створивши каскад термоядерних реакцій. Лабораторний аналіз показує, що в результаті реакції було вивільнено близько 3,15 мегаджоуля енергії – приблизно на 54% більше енергії, яка пішла на реакцію.
"Дослідження термоядерного синтезу тривають з початку 1950-х років, і це перший випадок, коли в лабораторних умовах термоядерний синтез коли-небудь виробляв більше енергії, ніж споживав", – каже Майкл Кемпбелл, ексдиректор лабораторії термоядерного синтезу в Університеті Рочестера в Нью-Йорку.
Однак, хоча реакції термоядерного синтезу могли виробити понад 3 мегаджоулі енергії — більше, ніж було доставлено до цілі — 192 лазери NIF спожили 322 мегаджоулі енергії в процесі. Втім, експеримент кваліфікується як запалювання — еталонний показник реакції термоядерного синтезу, який фокусується на тому, скільки енергії пішло в мішень порівняно з тим, скільки енергії було вивільнено.
"Це велика віха, але NIF — це не пристрій для термоядерної енергії", — каже Дейв Хаммер, інженер-ядерник з Корнелльського університету в Ітаці, штат Нью-Йорк.
Германн визнає це, кажучи, що на шляху до енергії лазерного термоядерного синтезу є багато кроків. "NIF не був спроєктований для того, щоб бути ефективним, — каже він. — Він був спроєктований як найбільший лазер, який ми могли б побудувати, щоб надати нам дані, необхідні для програми дослідження [ядерних] запасів".
Чому ці результати важливі?
З одного боку, йдеться про доведення того, що це можливо, і з цього боку багато вчених привітали результат як важливу віху в науці про термоядерний синтез. Але результати мають особливе значення для NIF: установка була спроєктована для того, щоб допомогти вченим-ядерникам вивчати інтенсивне нагрівання і тиск при вибухах, а це можливо лише в тому разі, якщо установка виробляє високопродуктивні термоядерні реакції.
Це зайняло понад десять років, "але їх можна похвалити за те, що вони досягли своєї мети", — каже Стівен Боднер, фізик, який раніше очолював програму лазерного термоядерного синтезу у дослідницькій лабораторії Військово-морського флоту США у Вашингтоні, округ Колумбія. За словами Боднера, головне питання зараз полягає в тому, що міністерство енергетики США робитиме далі: подвоїть зусилля з дослідження озброєнь у NIF чи зосередиться на лазерній програмі, спрямованій на дослідження термоядерної енергії.
Що це означає для термоядерної енергетики?
Останні результати вже відновили розмови про майбутнє, що живиться чистою енергією термоядерного синтезу, але експерти попереджають, що попереду довгий шлях.
NIF не був розроблений з урахуванням комерційної термоядерної енергії — і багато дослідників сумніваються, що термоядерний синтез, керований лазером, буде тим підходом, який в кінцевому підсумку дасть енергію термоядерного синтезу. Але Кемпбелл вважає, що його останній успіх може підвищити впевненість в перспективах лазерного термоядерного синтезу і відкрити двері для програми, орієнтованої на енергетичні застосування.
Директор Ліверморської лабораторії Лоуренса Кім Буділ назвала це досягнення підтвердженням концепції. "Я не хочу, щоб у вас склалося враження, що ми збираємося під'єднати NIF до електромережі: це, безумовно, не так працює, — сказала вона під час пресконференції. — Але це фундаментальний будівельний блок схеми термоядерного синтезу в інерційному утриманні".
У світі проводиться багато інших експериментів з термоядерного синтезу, які намагаються досягти термоядерного синтезу для енергетичних застосувань, використовуючи різні підходи. Але інженерні проблеми залишаються, включаючи проєктування і будівництво установок, які можуть витягувати тепло, що виробляється в результаті синтезу, і використовувати його для генерації значних обсягів енергії, яку можна перетворити в корисну електроенергію.
"Попри позитивні новини, цей результат все ще далекий від фактичного приросту енергії, необхідного для виробництва електроенергії", — сказав Тоні Рулстоун, дослідник ядерної енергетики з Кембридзького університету в заяві для Наукового медіацентру.
Утім, "експерименти NIF, зосереджені на енергії термоядерного синтезу, безумовно, є цінними на шляху до комерційної термоядерної енергетики", — каже Енн Уайт, фізик плазми з Массачусетського технологічного інституту в Кембриджі.
Які наступні основні віхи у термоядерному синтезі?
Щоб продемонструвати, що тип термоядерного синтезу, який вивчається в NIF, може бути життєздатним способом виробництва енергії, ефективність виходу — енергії, що виділяється, порівняно з енергією, яка витрачається на виробництво лазерних імпульсів — має зрости щонайменше на два порядки. Дослідникам також потрібно буде різко збільшити швидкість, з якою лазери можуть виробляти імпульси.
