Сделан важный шаг на пути к лазерному термоядерному синтезу

В среду, 12 февраля, в журнале Nature была опубликована статья ^[1], описывающая результаты последних экспериментов на установке National Ignition Facility (NIF) ^[2] Ливерморской национальной лаборатории, в ходе которых впервые выход энергии в результате индуцированной лазерами управляемой термоядерной реакции превысил количество энергии, переданной топливу. Необходимые для начала ядерного синтеза давление и температура достигаются в установке NIF с помощью 192 лазеров, которые синхронно облучают крошечную мишень из замороженного дейтерия и трития.

Мишень представляет собой шарик диаметром 2 мм, внешний слой которого сделан из пластика, а внутренний — из тяжёлых изотопов водорода. Шарик находится внутри золотого цилиндра с отверстиями, сквозь которые внутрь попадает излучение лазеров. Под воздействием этого излучения внутренние стенки цилиндра начинают испускать рентгеновские лучи, которые равномерно «поджаривают» мишень со всех сторон. Её внешняя оболочка мгновенно испаряется и с огромной силой сжимает топливо до давления в 100 миллионов атмосфер. Всё это происходит в течение нескольких наносекунд. Пиковая мощность лазерной вспышки достигает 500 тераватт.

До сих пор физикам не удавалось получить от термоядерной реакции больше энергии, чем передавалось топливу, в основном из-за того, что в ходе сжатия топливо смешивалось с материалом оболочки. Так как для сжатия используется не один импульс лазера, а несколько, варьируя длительность и мощность отдельных вспышек, можно управлять этим процессом. В последних экспериментах, проведённых осенью 2013 года, удалось подобрать последовательность импульсов, которая обеспечивает стабильное сжатие и уменьшает загрязнение топлива атомами оболочки. 27 сентября 2013 года удалось получить 14 килоджоулей энергии, затратив на сжатие и нагрев топлива около 12 кДж. 13 ноября — 17 кДж при затратах на уровне 10 кДж. В начале 2014 года соотношение произведённой топливом энергии к затраченной удалось ^[3] довести до 2,6.

Хотя эти результаты — важная веха на пути к термоядерной энергетике, до практического применения пока ещё очень далеко. Дело в том, что общие затраты энергии установки на один импульс на два порядка больше чем количество энергии, которое доходит до капсулы с топливом. Экономическая эффективность ещё во много раз ниже — о самоподдерживаемой реакции синтеза пока речь не идёт, NIF — чисто экспериментальная установка, она может делать не больше одного «выстрела» за несколько часов.

Проект Международного экспериментального ядерного реактора (ITER) ^[4], строительство которого сейчас идёт во Франции, всё ещё выглядит более практичным — начало экспериментов на нём запланировано на 2020 год, а развиваемая термоядерная мощность должна составить 500 мегаватт. Реактор ITER представляет собой огромный токамак ^[5] — термоядерная реакция в нём проходит в тороидальной камере внутри плазменного «шнура», удерживаемого магнитным полем. Всего в мире построено около 300 токамаков, эксперименты с ними проводятся уже несколько десятков лет. Установки импульсного типа, к которым относится и NIF, распространены гораздо меньше.

Автор: ilya42

Источник ^[6]