Ядрен синтез: Има ли пробив и какво ще означава това?

Най-големият лазер в света възпроизвежда реакцията, която захранва Слънцето

Ваня Милева Последна промяна на 13 декември 2022 в 11:32 7634 0

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

За първи път експеримент с контролиран термоядрен синтез е произвел повече енергия, отколкото е била вложена.

Изследователи от Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор (LLNL) в Калифорния са преодолели това голямо препятствие, наречено "запалване".

Изследователската общност за термоядрен синтез използва техническата дефиниция "запалване" (ignition), която означава "възвръщаемост, по-голяма от единица" в преглед на NIF от 1997 г., тоест добив на енергия от термоядрен синтез, по-голям от доставената лазерна енергия. 

Термоядреният реактор на National Ignition Facility (NIF) на лабораторията използва лазери за създаване на топлина и налягане, които превръщат деутерия и трития в плазма, в която може да се случи синтез, а експеримент, проведен на 5 декември, при който лазерите, изразходили 2,1 мегаджаула енергия, е довел до производство от около 2,5 мегаджаула, приблизително 20 процента повече.

Източници от лабораторията заявяват, че със сигурност енергията, получена от реакцията на синтез, е била по-голяма от очакваната и е повредила част от оборудването.

Министерството на енергетиката на САЩ официално обяви днес, че неговите изследователи са постигнали „голям научен пробив“ по отношение на ядрения синтез, технология, разглеждана като възможен революционен алтернативен източник на енергия.

„Преследването на запалване чрез термоядрен синтез в лабораторията е едно от най-значимите научни предизвикателства, с които се е справяло някога човечеството, и постигането му е триумф на науката, инженерството и най-вече на хората“, коментира директорът на Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор д-р Ким Будил. „Преминаването на този праг е визията, която ръководи 60 години всеотдайно преследване – непрекъснат процес на учене, изграждане, разширяване на знанията и способностите и след това намиране на начини за преодоляване на новите предизвикателства, които се появиха.

Това би могло да помогне за справяне с изменението на климата, да ускори пътуването до Марс и да отхвърли енергийната хватка на Владимир Путин.

Накратко, ядреният синтез ще промени света.

Термоядреният синтез

На ядрения синтез се гледа като на потенциално неограничен източник на чиста енергия, създаван от същите процеси в ядрото на Слънцето. При използване на интензивна топлина, магнитни полета и налягане ядрата на по-леките елементи се сливат, за да се създадат по-тежки елементи, като при това се освобождава енергия. Като задържат този подобен на звездния процес в специално проектирани реактори, инженерите могат да слеят водородни атоми, за да произведат хелий, използвайки произведената чиста енергия и потенциално намалят зависимостта от изкопаеми горива. За да се осъществи реакцията, свръхнагрятият газ - в състояние на плазма - се подлага на налягане, което по същество притиска атомите един към друг и ги принуждава да реагират.

Как работи токамакът?

Електрическо поле, създадено от трансформатор, задвижва ток (големите червени стрелки) през плазмената колона. В резултат на това се образува полоидално магнитно поле, което компресира плазмения поток по такъв начин, че той придобива формата на кръг в разрез (зелените вертикални кръгове). Във вътрешността на корпуса с формата на поничка се създава вакуум, а компресираната по този начин колона предотвратява дезинтеграцията. Другото магнитно поле, което протича по цялото тяло, се нарича тороидално (зелените хоризонтални линии). Комбинацията от тези две полета създава спираловидна триизмерна крива (показана в черно), която може да поддържа плазмата.

Значи ли това, че термоядреният синтез е овладян?

Въпреки че мощността на енергия, по-висока от тази на лазерите, които захранват реактора на NIF, би била изключително ефективна, има още много работа за вършене.

За да бъде един реактор като цяло полезен, той трябва да произведе повече енергия, отколкото първоначално е била вложена в лазерите. Неефективността, свързана с производството на лазерна светлина от електричество, означава, че в момента случаят не е такъв – Джанлука Сари (Gianluca Sarri) от Кралския университет в Белфаст изчислява, че ако 2,1 мегаджаула енергия е изведена от лазера, тогава NIF ще трябва да извлече „десетки“ мегаджаули от електрическата мрежа, за да го постигне.

Дори след като един реактор успее да компенсира реалната енергия, необходима на лазерите, той ще бъде само рентабилен. За да се превърне термоядреният синтез в жизнеспособна алтернатива на съществуващите източници на енергия, трябва да може да се извлича голямо количество чиста енергия.

„Важният момент обаче е, че от научна гледна точка сега за първи път се показва, че това е възможно“, отбелязва Сари. 

Какво се случва след това?

Има още много работа за вършене след това. Реакторът NIF е лазерно базирано инерционно устройство за изследване на термоядрения синтез, което изстисква плазма с лазери. Това е различен подход към устройствата с магнитен токамак, които в момента са най-обширната област на изследване на термоядрения синтез, така че все още не е ясно дали тези машини могат да постигнат синтез.

Като цяло, жизнеспособен производствен реактор, който може надеждно да генерира значително повече енергия, отколкото черпи като вход за дълги периоди от време, вероятно ще бъде след десетилетия.

Как термоядреният синтез се различава от ядреното делене?

Ядрената енергия се предлага в две много различни версии: делене, което разделя атомите, и синтез, което ги слива. Всички ядрени реактори, използвани от 50-те години на миналия век за производство на електричество, използват делене, както и оригиналната атомна бомба.

Реакторите обикновено произвеждат големи, стабилни доставки на електроенергия денонощно, в продължение на месеци, докато не стане нужда от презареждане с гориво. За съжаление, те също така произвеждат радиоактивни отпадъци, които са опасни в продължение на хиляди години и трябва да бъдат внимателно съхранявани или на място, или в централизирани хранилища.

Енергията на термоядрения синтез, напротив, е източникът на енергия на звездите, чиято огромна гравитация смазва атомите на водорода, за да образува хелий. С термоядрения синтез няма дълготрайни радиоактивни отпадъци.

Ще реши ли ядреният синтез изменението на климата?

Вероятно не. Ако можем да изградим ефективни, надеждни термоядрени реактори, световните енергийни нужди могат лесно да бъдат посрещнати и без неприятни отпадъци, тъй като основният страничен продукт от термоядрения синтез е хелият.

Но за да се случи това, трябва да се усъвършенства инженерната част на реакторите и след това да се изградят. Въпреки че физиката на термоядрения синтез е добре известна, инженерните предизвикателства, свързани със създаването на работещ реактор, са огромни, а разходите в момента са фантастично високи.

Дори изпитаните и тествани инсталации за ядрено делене, типът, на който разчитаме от десетилетия, изискват около пет години за изграждане. За термоядрените реактори може да е нужно повече време. Макар че термоядреният синтез може да играе роля в захранването на втората половина на 21-ви век, малко е вероятно да бъде решение на непосредствената климатична криза.

„Експериментът демонстрира недвусмислено, че физиката на лазерния синтез работи. За да се трансформира резултатът от NIF в производство на енергия, остава много работа, но това е ключова стъпка по пътя. Следващите стъпки включват демонстрация на още по-голямо усилване на енергията от термоядрения синтез и по-нататъшно разработване на по-ефективни методи за задвижване на имплозията“, заявява д-р Роби Скот от групата по физика на плазмата на Централния лазерен център на Съвета за научни и технологични съоръжения.

Източник: 

Nuclear fusion: Has there been a breakthrough and what will it mean?, New Scientist

We Have Ignition: US Experiment Becomes First To Achieve Controlled Fusion, IFLScience

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 !