Важная веха в области ядерного синтеза достигнута из-за того, что в лаборатории произошло «возгорание»

Новый эксперимент, похоже, впервые вызвал возгорание в Национальном центре воспламенения (NIF) Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в США, воссоздавая экстремальные температуры и давления, обнаруженные в центре Солнца.

Это произвело больше энергии, чем любой предыдущий термоядерный эксперимент с инерционным удержанием, и доказывает, что воспламенение возможно, открывая путь для реакций, которые производят больше энергии, чем им нужно для начала.

Физики Имперского колледжа Лондона уже помогают анализировать данные успешного эксперимента, который был проведен 8 августа 2021 года. Империал также подготовил более 30 кандидатов наук. студенты, которые продолжили работать в НИФ. Колледж поддерживает прочные связи с учреждением и другими организациями по всему миру через Центр исследований инерционного синтеза (CIFS).

Важный шаг вперед

Со-директор Центра исследований инерционного термоядерного синтеза в Imperial, профессор Джереми Читтенден, сказал, что «демонстрация зажигания была серьезной научной проблемой с тех пор, как эта идея была впервые опубликована почти 50 лет назад. Это было основной причиной создания НИФ и было его основной целью более десяти лет ».

«После десяти лет неуклонного прогресса в демонстрации зажигания результаты экспериментов за последний год были более впечатляющими, поскольку небольшие улучшения в выходной энергии термоядерного синтеза сильно усиливаются процессом зажигания. Темпы улучшения выработки энергии были быстрыми, что позволяет предположить, что вскоре мы сможем достичь большего количества энергетических рубежей, таких как превышение энергии, поступающей от лазеров, используемых для запуска процесса ».

«Это имеет решающее значение для открытия возможности получения термоядерной энергии и для того, чтобы физики могли исследовать условия в некоторых из самых экстремальных состояний Вселенной, в том числе через несколько минут после Большого взрыва. Управляемый термоядерный синтез в лаборатории – одна из важнейших научных задач нашей эпохи, и это важный шаг вперед ».

Со-директор Центра исследований инерционного термоядерного синтеза в Imperial, профессор Стивен Роуз, сказал, что «команда NIF проделала выдающуюся работу. Это наиболее значительный прогресс в области инерционного термоядерного синтеза с момента его появления в 1972 году ».

«То, что было достигнуто, полностью изменило ландшафт термоядерного синтеза, и теперь мы можем рассчитывать на использование воспламененной плазмы как для научных открытий, так и для производства энергии».

Достигнув зажигания

Тип ядерной реакции, которая питает современные электростанции, – это деление – расщепление атомов для высвобождения энергии. Вместо этого синтез заставляет атомы водорода вместе получать энергию, производя большое количество энергии и, что особенно важно, ограничивая радиоактивные отходы.

По этой причине в течение десятилетий искали способ создания эффективных термоядерных реакций для производства чистой энергии с использованием небольшого количества ресурсов. Однако оказалось, что термоядерные реакции трудно контролировать, и на сегодняшний день ни один термоядерный эксперимент не произвел больше энергии, чем было затрачено на запуск реакции.

Хотя последний эксперимент по-прежнему потребовал больше энергии, чем получил, он первым достиг критической стадии «зажигания», которая позволила произвести значительно больше энергии, чем когда-либо прежде, и подготовила почву для «безубыточности». где энергия на входе соответствует энергии на выходе.

В настоящее время исследователи во всем мире пытаются получить термоядерную энергию двумя основными способами. NIF фокусируется на термоядерном синтезе с инерционным удержанием, который использует систему лазеров для нагрева топливных таблеток, производящих плазму – облако заряженных ионов.

Топливные таблетки содержат «тяжелые» версии водорода – дейтерий и тритий, которые легче плавить и производить больше энергии. Однако топливные таблетки необходимо нагревать и создавать давление до условий в центре Солнца, которое является естественным термоядерным реактором.

Как только эти условия достигнуты, реакции синтеза высвобождают несколько частиц, в том числе «альфа» -частицы, которые взаимодействуют с окружающей плазмой и нагревают ее еще больше. Затем нагретая плазма высвобождает больше альфа-частиц и т. Д. В ходе самоподдерживающейся реакции – процесса, называемого воспламенением.

Однако этот процесс никогда не был полностью реализован раньше – до сих пор. Результаты эксперимента 8 августа показывают, что выходная энергия превышает один мегаджоуль, что соответствует пороговому значению, согласованному для начала «воспламенения», и в шесть раз больше, чем предыдущая самая высокая достигнутая энергия.

Артур Туррелл, из отдела физики Imperial, автор недавно изданной книги Звездные строители: ядерный синтез и гонка за власть на планете, сказал, что «Этот феноменальный прорыв удивительно приближает нас к демонстрации« чистого выигрыша энергии »в результате реакций синтеза – именно тогда, когда планете это нужно».

«Команда Национального центра зажигания и их партнеры по всему миру заслуживают всяческих похвал за преодоление некоторых из самых страшных научных и инженерных проблем, с которыми когда-либо сталкивалось человечество. Достигнутое экстраординарное высвобождение энергии придаст смелости усилиям по ядерному синтезу во всем мире, придав импульс тенденции, которая уже активно развивалась ».

Неизведанная территория

Профессор Читтенден сказал, что «в то время как НИФ – это в первую очередь физический эксперимент и не имеет главной цели создания термоядерной энергии, этот невероятный результат означает, что эта мечта ближе к реальности. Теперь мы доказали, что воспламенение возможно, и вдохновили другие лаборатории и стартапы по всему миру, работающие над производством термоядерной энергии, попытаться реализовать те же условия, используя более простой, надежный и, прежде всего, более дешевый метод ».

Возможно ли построить звезду на Земле?

Когда его спросили, какую проблему, как он надеется, ученые решат к концу века, профессор Стивен Хокинг ответил: «Я хотел бы, чтобы ядерный синтез стал практическим источником энергии. Это обеспечило бы неисчерпаемый источник энергии без загрязнения окружающей среды или глобального потепления ». Но что такое ядерный синтез и может ли он действительно стать ответом на климатическую катастрофу? Термоядерный синтез уже существует в звездах, которые наполняют нашу Вселенную светом, но можем ли мы использовать эту силу здесь, на Земле? Это вопрос, на который «Звездные строители» стремятся ответить.

В своей новой увлекательной книге доктор Артур Туррелл приводит доводы в пользу передовых новых технологий в ядерной энергии – нововведений, которые позволят нам воссоздать силу звезд на нашей собственной планете. «Звездные строители», наполненные замечательными историями ученых и предпринимателей, посвятивших свою жизнь осуществлению, казалось бы, несбыточной мечты, – это открытая возможность заглянуть в будущее жизни – и космоса – на нашей планете.

Команда Imperial сейчас анализирует результаты эксперимента, используя методы диагностики, которые они создали, чтобы понять, что происходит в таких экстремальных условиях. Доктор Брайан Аппельбе, научный сотрудник Центра исследований инерционного термоядерного синтеза компании Imperial, сказал, что «лазеры NIF уже создали самые экстремальные условия на Земле, но новый эксперимент, похоже, удвоил ранее достигнутую температуру. Мы вошли в режим, в котором раньше никогда не были – это неизведанная территория в нашем понимании плазмы ».

Доктор Эйдан Крилли, научный сотрудник Центра исследований инерционного термоядерного синтеза компании Imperial, добавил, что «воспроизведение условий в центре Солнца позволит нам изучать состояния материи, которые мы никогда раньше не могли создать в лаборатории». в том числе те, что обнаружены в звездах и сверхновых ».

«Мы также могли бы получить представление о квантовых состояниях материи и даже об условиях все ближе и ближе к началу Большого взрыва – чем горячее мы становимся, тем ближе мы подходим к самому первому состоянию Вселенной».