Год назад человечество впервые осознало чистый энергетический выигрыш реакции ядерного синтеза. В течение этого года НИФ постоянно совершенствовался и успешно реализовал еще три зажигания, побив несколько рекордов подряд! Недавно ведущий ученый проекта был выбран одним из 10 лучших людей года по версии Nature...
Год назад человечество впервые осознало чистый энергетический выигрыш реакции ядерного синтеза. В этом году НИФ продолжил совершенствоваться, а затем успешно реализовал три зажигания, побив несколько рекордов! Совсем недавно главный ученый проекта, но также был выбран в качестве одного из десяти лучших людей года по версии журнала Nature.
14 декабря прошлого года Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса (LLNL) впервые добилась успеха в контролируемом зажигании ядерного синтеза, чтобы все человечество смогло получить чистую энергию «Святой Грааль» -
После доставки 2,05 мегаджоулей (МДж) энергии к цели была получена выходная энергия термоядерного синтеза 3,15 МДж с выигрышем по энергии около 1,5.
30 июля 2023 года Лаборатория достигла своей первой выходной энергии в 3,88 МДж, самой высокой за всю историю.
30 октября лаборатория установила еще один рекорд - 2. Впервые было достигнуто потребление энергии в 2 мегаджоуля. Между тем, выходная энергия в 3,4 мегаджоуля заняла второе место.
Перед лицом успешного «возгорания» снова и снова Nature также с волнением опубликовала статью, в которой говорилось, что лазерный синтез вот-вот вступит в совершенно новую эру.
Вполне возможно, что когда управляемый ядерный синтез будет наконец реализован, человечество впервые в истории получит возможность получать огромное количество безуглеродной чистой энергии, что произведет революцию в энергетической дорожной карте будущего.
Другими словами, к тому времени уже не будет парниковых газов от сжигания угля и нефти, не будет опасных, долгоживущих радиоактивных отходов – человечество получит доступ к «чистой энергии» в истинном смысле этого слова.
Это означает, что дефицит энергии, преследующий человечество с тех пор, как мы вступили в электрический век, исчезнет. Человечество может даже осуществить беспрецедентные технологические прорывы в области звездной энергетики, достигнутые благодаря управляемому ядерному синтезу.
Но сначала вернемся к реальности.
Настоящая трудность в том, чтобы заставить лазер передавать такое огромное количество энергии, заключается в том, как защитить драгоценную оптику НИФ от повреждений обломками.
NIF — единственная лазерная система в мире, которая может работать выше порога повреждения, и это отчасти благодаря разработанному в лаборатории циклу оптического восстановления.
Улучшенная оптика
В июне 2023 года NIF завершил два ключевых усовершенствования, которые имели решающее значение для достижения входной энергии в 2,2 мегаджоуля.
К ним относятся использование защиты от мусора из плавленого кварца на двух третях лучей NIF и установка металлической защиты на 32 линиях лучей нижней полусферы.
Эти улучшения снизили уровень повреждений, вызванных обломками, в 10–100 раз, в зависимости от канала луча. Оптика нижних лучей получила больше всего мусора из целевой камеры из-за силы тяжести.
Другие улучшения включают новое антибликовое покрытие, обработку паром гексаметилдисилоксана (HMDS) и увеличение производительности оптического цикла переработки. А также новый «блокатор серых краев» для проблемы, которую ученым еще предстоит полностью определить.
Больше, чем просто увеличение энергии
Одного только увеличения энергии недостаточно, чтобы поддержать удивительные достижения, достигнутые NIF в науке.
Лазерные импульсы длятся всего несколько миллиардных долей секунды, поэтому для достижения желаемых результатов требуется предельная точность.
Для достижения этой цели команда недавно завершила развертывание системы High Fidelity Pulse Shaping (HiFiPS).
HiFiPS, рассчитанный на несколько лет, обеспечивает более точное и точное формирование импульсов, что, в свою очередь, обеспечивает лучший баланс мощности и контроль симметрии при взрыве.
Кроме того, команда обновила оптические волокна на объекте, чтобы сделать их более устойчивыми к многократному воздействию нейтронов. Эти волокна используются для точного измерения лазерного импульса, доставленного к цели.
В результате ремонта мощность сигнала увеличилась в 10–100 раз, и исследователи смогли продолжать точно «наблюдать» за работой лазера.
Однако от нынешнего состояния техники до реализации доставки термоядерной энергии в сеть еще предстоит пройти долгий путь.
Хотя сегодня у NIF самый большой лазер в мире, система крайне неэффективна: более 99% энергии при каждом возгорании теряется до того, как достигнет цели.
А разработка более эффективной лазерной системы является ключевой целью недавно запущенной программы исследований инерционного термоядерного синтеза Министерства энергетики.
Департамент недавно объявил, что инвестирует 42 миллиона долларов в течение четырех лет в создание трех новых исследовательских центров, которые будут работать вместе для достижения этого и других научных достижений.
В каждый из этих центров войдут национальные лаборатории, университетские исследователи и отраслевые партнеры.
А одной из центральных фигур всей программы термоядерного синтеза, физику Энни Критчер, также удалось войти в десятку лучших ученых года по версии журнала Nature.
В 2022 году Энни Критчер в Национальном центре зажигания (NIF) достигла цели, которую десятилетиями не удавалось достичь в лабораториях по всему миру: сжать атомы до такой степени, что их ядра сливались и производили больше энергии, чем потребляла сама реакция.
Но после достижения этой экспериментальной вехи (т. е. зажигания) команда была вынуждена повторить это достижение.
Крупномасштабные исследования редко проходят гладко: в июне команда провела первое повторение, но результаты оказались плохими.
К счастью, третья попытка оказалась успешной.
30 июля 192-лучевой лазер НИФ выпустил энергию в 2,05 мегаджоуля по небольшим сферам изотопов водорода дейтерия и трития, замороженными в золотом цилиндре.
В результате имплозии изотопы высвободили энергию, когда они слились в гелий и создали температуру, в шесть раз превышающую температуру ядра Солнца.
В конечном итоге они создали рекордные 3,88 мегаджоуля энергии термоядерного синтеза.
Глядя на весь мир, ни одна лаборатория не была в состоянии реализовать реакцию термоядерного синтеза, которая производит больше энергии, чем потребляет, пока NIF не достиг этого подвига.
Затем в октябре Критчер и ее команда успешно осуществили еще два возгорания, в результате чего их общее количество достигло четырех.
Критчер начала исследовать энергию термоядерного синтеза, когда проходила летнюю стажировку в Ливерморе в 2004 году. Вскоре она нацелилась на NIF — одно из немногих мест в мире, где можно изучать реакции термоядерного синтеза.
С тех пор она возглавляет команду, которая анализирует экспериментальные данные и использует компьютерные модели для планирования экспериментов, регулируя такие параметры, как размер и конфигурация мишени, а также энергию и время воздействия различных лазерных лучей, чтобы достичь и увеличить выход термоядерного синтеза. Как только ее команда завершит проектирование, экспериментальная группа возьмет на себя запуск лазеров и сбор данных.
Этот процесс показал исключительные способности Критчер, и это привело к тому, что в 2016 году она стала одним из ведущих дизайнеров NIF.
В течение следующих нескольких лет Критчер и ее команда анализировали и корректировали дизайн основной экспериментальной программы NIF. Внося различные изменения в цель, команда также использовала различные улучшения для увеличения общей энергии лазера. В результате ядерный синтез реализуется все чаще и чаще.
После успеха «Зажигания» Критчер начал новую серию экспериментов, снова увеличивая мощность за счет подачи большей энергии лазера к более толстой капсуле-мишени.
И это представляет собой еще один шаг к достижению выхода в десятки тераджоулей или даже выше на NIF.
Управляемый термоядерный синтез — Святой Грааль чистой энергии
Проще говоря, ядерный синтез — это процесс, в ходе которого два легких атомных ядра объединяются, образуя более тяжелое ядро и высвобождая огромное количество энергии.
Два атома водорода сталкиваются и полимеризуются, образуя атом гелия, масса которого немного меньшая, чем исходный атом водорода. Согласно знаменитому уравнению массы-энергии Эйнштейна E=mc², эта разница масс преобразуется в выброс энергии.
В ядре Солнца каждую секунду происходит синтез 620 миллионов тонн водорода. Произведенная энергия является источником всей жизни на Земле.
Но одна из больших проблем в использовании ядерного синтеза заключается в том, как сделать так, чтобы энергия, выделяемая в результате реакции термоядерного синтеза, превышала потребляемую энергию, и сделать процесс устойчивым.
Принцип зажигания NIF
В 1960-х годах группа ученых-первопроходцев из LLNL выдвинула гипотезу о том, что лазеры можно использовать для индукции ядерного синтеза в лабораторных условиях.
Эта революционная идея затем превратилась в термоядерный синтез под руководством физика Джона Наколлса.
Чтобы реализовать эту концепцию, LLNL построила серию все более мощных лазерных систем, кульминацией которых стал крупнейший в мире и самый энергичный NIF.
В эксперименте лазеры имитировали условия в центре Солнца, превращая тяжелые изотопы водорода, дейтерий и тритий, в гелий.
Сначала несколько водородных гранул были помещены в устройство размером с перцовое зерно, а затем мощный луч 192-лазера был использован для нагрева и сжатия водородного топлива.
Лазеры, войдя в тор, поражают внутренние стенки и заставляют их излучать рентгеновские лучи, которые затем могут нагреть его до 100 миллионов градусов Цельсия – горячее, чем в центре Солнца – и сжать его более чем в 100 миллиардов раз. атмосферное давление Земли.
Лазеры высокой энергии плазмируют поверхность капли, а остальная часть центрального материала, движимая третьим законом Ньютона, в конечном итоге схлопнется к центру и взорвется.
В момент взрыва может произойти цепная реакция – или «воспламенение» – если к топливной таблетке приложить нужное количество тепла и давления, что затем высвободит большое количество энергии.
Чудеса инженерной мысли
Национальная установка зажигания (NIF), которая делает все вышеперечисленное возможным, также является выдающимся достижением в области техники и технологий.
Ученые-материаловеды и лазерные физики работали вместе с инженерами над созданием объекта, содержащего 7500 больших оптических устройств, 26000 малых оптических устройств и более 66000 контрольных точек.
Эта оптика и другие компоненты содержатся примерно в 6200 сложных модульных блоках, называемых линейными сменными блоками (LRU). При необходимости их можно быстро заменить, чтобы обеспечить бесперебойную работу объекта.
Лазерный импульс НИФ проходит один километр и занимает 4,5 микросекунды от первоначального формирования импульса в камере основного генератора до достижения цели. Разница во времени достижения центра мишенной камеры составляет 30 пикосекунд с точностью 50 микрон.
Достижение такой стабильности наведения и абсолютной точности наведения на цель является огромной инженерной задачей, требующей непревзойденной стабильности оптической системы поддержки, точного позиционирования и выравнивания компонентов, а также строго точной компьютеризированной системы синхронизации.
Чтобы решить эти проблемы, все конструкции, поддерживающие зеркала и линзы NIF, были спроектированы с учетом максимальной устойчивости.
Команда инженеров тщательно рассчитала возможное воздействие на компоненты лазера, обычно на лазерные зеркала, для всех источников вибрации, включая насосы, двигатели и трансформаторы.
Through careful modeling, both vibration (>1 Гц) и дрейф (<1Hz) were designed to be met. Test results show that the prototype beamline can perform at or better than the 50 micron requirement.
Кроме того, чтобы гарантировать, что компоненты луча не влияют на запас мощности лазера, команда использовала методы прецизионных измерений, что привело к созданию строгой измерительной сети и контролируемому физическому расположению всех компонентов луча. Положения всех корпусов балок, опорных систем и мишенных камер были точными до четверти миллиметра.
Затем эта информация была предоставлена команде проектировщиков, которая спроектировала конструкцию с достаточной жесткостью и демпфированием, чтобы реакция конструкции на вибрацию грунта и ожидаемую вибрацию от строительного оборудования соответствовала общим требованиям устойчивости.
Обеспечение того, чтобы все 192 лазерных луча прибыли в течение указанных 30 пикосекунд, было достигнуто за счет системы точного времени с использованием спутниковой системы GPS, которая постоянно обновляет внутренние часы. Интегрированное программное и аппаратное обеспечение постоянно отслеживает и обновляет время для обеспечения точности.
Каждый механический интерфейс рассчитан на погрешность более 300 фемтосекунд (три триллионных секунды), поэтому LRU можно заменить в любое время для поддержания точности синхронизации. Кроме того, жестко контролируемая программа поддерживает системную синхронизацию для каждого LRU.
Хотя мы пока не можем применить ядерный синтез для производства электроэнергии с помощью этого устройства.
Но в масштабе 60 лет человечество совершило крупный прорыв.
В будущем мы также сможем иметь больше воображения.
