Ето как за пръв път бе постигнато "запалване" на ядрен синтез

Експериментът, извършен през 2022 г., разкри и невиждано досега явление

Ваня Милева Последна промяна на 20 февруари 2024 в 00:00 5401 0

През декември 2022 г. учените от Национална инсталация за запалване (National Ignition Facility - NIF) постигнаха

Кредит Jason Laurea/LLNL

През декември 2022 г. учените от Национална инсталация за запалване (National Ignition Facility - NIF) постигнаха "запалване" на ядрения синтез, при което енергията, получена от сливането на атомни ядра, надвишава тази, необходима за стартиране на синтеза.

Най-голямото постижение на ядрения синтез е невъзможно да се случи без безупречна научна работа.

През декември 2022 г. изследователи от Национална инсталация за запалване (National Ignition Facility - NIF) към Националната лаборатория "Лорънс Ливърмор" в Калифорния произвеждат реакции на термоядрен синтез, при които се получава излишък от енергия - за първи път. При експеримента 192 лазера обстрелват малка капсула, предизвиквайки термоядрени реакции - при които по-малки атомни ядра се сливат, за да образуват по-големи - които освобождават повече енергия, отколкото първоначално са получили. Това е важен етап, наречен "запалване", и се подготвя от десетилетия.

Сега изследователите публикуват подробности за този експеримент в пет рецензирани статии, публикувани онлайн наскоро в Physical Review Letters и Physical Review E. Постижението е изисквало изключително ниво на прецизност, настройване на условията точно така, че да се получи повече енергия от лазерите и да се създадат идеалните условия за синтез.

Работата е "изключително красива", коментира физикът Питър Норейс (Peter Norreys) от Оксфордския университет. Норейс, който не е участвал в изследването, сравнява постижението с дирижирането на оркестър от световна класа: Различните елементи на експеримента трябва да бъдат прецизно координирани и точно разпределени във времето.

Учените откриват и отдавна прогнозиран ефект на нагряване, който може да разкрие физиката на други агресивни среди, като например експлодиращите звезди, така наречените свръхнови.

"Хората казват, че [физиката] е сух предмет", отбелязва Норейс. "Но винаги съм смятал, че физиката е преди всичко креативност."

Пътят към големия пробив на ядрения синтез

Ядреният синтез, същият процес, който протича в Слънцето, е привлекателен източник на енергия. Електроцентралите, работещи с термоядрен синтез, няма да отделят парникови газове. И за разлика от сегашните ядрени електроцентрали, които разделят атомни ядра, за да произвеждат енергия, електроцентралите на ядрен синтез няма да произвеждат опасни и дълготрайни радиоактивни отпадъци. Запалването е първата стъпка към оползотворяването на тази енергия.

Създаването на термоядрен синтез изисква екстремни налягания и температури. При експеримента лазерите в Националния център за запалване на LLNL обстрелват вътрешността на кух цилиндър, наречен холраум, който е с размерите на гума на молив. Взривът нагорещил холраума до изгарящите 3 милиона градуса по Целзий - толкова горещо, че той излъчвал рентгенови лъчи. Вътре в тази рентгенова пещ диамантена капсула съдържа горивото: две тежки разновидности на водорода, наречени деутерий и тритий. Лъчението изпарява диамантената обвивка на капсулата, предизвиквайки имплозия на горивото със скорост от около 400 километра в секунда, образувайки горещи и плътни условия, които предизвикват термоядрен синтез.

Типичен холраум цилиндър е широк около сантиметър с лазерни входни отвори в двата края. Капсулата за гориво е окачена вътре в холраума. Кредит: LLNL Схема на холраум цилиндър е широк около сантиметър с лазерни входни отвори в двата края. Капсулата за гориво е окачена вътре в холраума. Кредит: LLNL

Целта на NIF - холраум. Кредит: LLNL Целта на NIF - холраум. Кредит: LLNL

Предишни експерименти са се доближили до запалване. За да продължат напред, изследователите увеличават енергията на лазерния импулс от 1,92 млн. джаула на 2,05 млн. джаула. Това постигат, като леко удължават лазерния импулс, който взривява мишената само за няколко наносекунди, удължавайки го само с част от наносекундата. (Директното увеличаване на мощността на лазера, а не удължаването на импулса, крие риск от повреда на съоръжението).

Екипът също така удебелява диамантената обвивка на капсулата с около 7 % - разлика от само няколко микрометра - което забавя имплозията на капсулата, позволявайки на учените да се възползват напълно от по-дългия лазерен импулс. "Това бе наистина забележително постижение", разказва Норейс.

Но тези корекции променят симетрията на имплозията, което означава, че са необходими други корекции. Това е все едно да се опитваш да притиснеш баскетболна топка до размера на грахово зърно, обяснява физикът Ани Критчър (Annie Kritcher) от LLNL, "а ние се опитваме да направим това сферично симетрично с точност до 1 процент".

Това е изключително трудно заради смесицата от електрически заредени частици, или плазма, която изпълва холраума по време на лазерния взрив. Тази плазма може да погълне лазерните лъчи, преди те да достигнат стените на холраума, и да наруши симетрията на имплозията.

За да изравнят нещата, Кричър и колегите му леко променят дължината на вълните на лазерните лъчи по начин, който им позволява да прехвърлят енергия от един лъч в друг. За целта е било необходимо да се променят дължините на вълните на лъчите само с един ангстрьом - десета част от милиардната част от метъра.

"От инженерна гледна точка е невероятно, че са успели да го направят", коментира физикът Каролин Куранц (Carolyn Kuranz) от Мичиганския университет в Ан Арбър, която не е участвала в работата. Нещо повече, "тези миниатюрни, съвсем малки промени имат толкова феноменално значение".

Предусилватели, които усилват лазерните лъчи в National Ignition Facility. Кредит: LLNL/Damien Jemison

След всички корекции последвалите реакции на термоядрен синтез са дали 3.15 милиона джаула енергия - около 1.5 пъти повече от входящата енергия, съобщават Кричър и колегите му във Physical Review E. Общата енергия, необходима за захранване на лазерите на NIF, е много по-голяма - около 350 милиона джаула. При все че лазерите на NIF не са проектирани да бъдат енергийно ефективни, това означава, че термоядреният синтез все още е далеч от практичен източник на енергия.

При друг експеримент през юли 2023 г. е използвана по-качествена диамантена капсула и е получен още по-голям енергиен прираст от 1.9, което означава, че е освободена почти два пъти повече енергия, отколкото е влязла в реакциите. В бъдеще изследователите от NIF се надяват да успеят да увеличат енергията на лазера от около 2 милиона джаула до 3 милиона, което би могло да даде начало на реакциите на термоядрен синтез с коефициент на полезно действие до 10.

Какво следва за термоядрения синтез

Изследователите откриват и отдавна прогнозирано явление, което може да бъде полезно за бъдещи експерименти: След като лазерите нагряват холраума, той се нагорещява допълнително от ефектите на реакциите на термоядрен синтез, съобщават физикът Морди Росен (Mordy Rosen) и колегите му във Physical Review Letters.

След имплозията запаленото гориво се разширява навън, като се врязва в остатъците от диамантената обвивка. Това нагрява материала, който след това излъчва топлината си към холраума. Това напомня на свръхнова, при която ударната вълна от експлодираща звезда пронизва отломките, които звездата е изхвърлила преди експлозията си.

"Точно този сблъсък се случва в този холраум", обяснява Росен от LLNL, съавтор на изследването. Освен че обяснява свръхновите, ефектът може да помогне на учените да изследват физиката на ядрените оръжия и други екстремни ситуации.

NIF не е единственото съоръжение за термоядрен синтез. Други изследователи се стремят да стартират термоядрен синтез чрез ограничаване на плазмата в тора или във формата на поничка с помощта на съоръжение, наречено токамак. Изследователите съобщават, че на 8 февруари в Joint European Torus в Абингдън, Англия, са генерирани 69 милиона джаула - рекорд за общо производство на енергия от термоядрен синтез.

Освен това NIF демонстрира и т.нар. термоядрен синтез с инерционно компресиране, при който се инициират реакции на ядрен синтез чрез компресиране и нагряване на мишени, пълни с гориво. Този експеримент вдъхновява редица стартиращи компании в САЩ, Европа и Азия, които проучват проекти за електроцентрали, които един ден биха могли да доставят електричество с помощта на термоядрен синтез в мрежата.

След десетилетия на бавен напредък в областта на термоядрения синтез, най-после като че ли учените са на прав път.

Справка:

H. Abu-Shawareb et al. Achievement of target gain larger than unity in an inertial fusion experiment. Physical Review Letters. Vol. 132, February 9, 2024, 065102. doi: 10.1103/PhysRevLett.132.065102.

O.A. Hurricane et al. Energy principles of scientific breakeven in an inertial fusion experiment. Physical Review Letters.  Vol. 132, February 9, 2024, 065103. doi: 10.1103/PhysRevLett.132.065103.

M.S. Rubery et al. Hohlraum reheating from burning NIF implosions. Physical Review Letters. Vol. 132, February 9, 2024, 065104. doi: 10.1103/PhysRevLett.132.065104.

A. Pak et al. Observations and properties of the first laboratory fusion experiment to exceed target gain of 1. Physical Review E. Vol. 109, February 2024, 025203. doi: 10.1103/PhysRevE.109.025203.

A.L. Kritcher et al. Design of the first fusion experiment to achieve target energy gain > 1. Physical Review E. Vol. 109, February 2024, 025204. doi: 10.1103/PhysRevE.109.025204.

Източник: Here’s how scientists reached nuclear fusion ‘ignition’ for the first time, Science News

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !