Прорыв в термоядерном синтезе: достижения эксперимента NIF в Ливерморской национальной лаборатории
Lawrence Livermore National Laboratory Ливермор, 16 фев - ИА Neftegaz.RU. Ученые в Ливерморской национальной лаборатории в США провели успешный эксперимент по термоядерному синтезу. По мнению специалистов, это открытие приближает человечество к источнику бесконечной энергии.
Результаты эксперимента прошли проверку международной группой экспертов.
В 20-е годы 20 века физики доказали, что реакции слияния ядер водорода являются основным источником энергии звезд, включая образование гелия и других тяжелых элементов.
Ученые уже более 100 лет пытаются воссоздать термоядерный синтез на Земле.
Первое устройство, в котором применили термоядерный синтез на практике, была водородная бомба.
Однако энергию, выделившуюся при взрыве, нельзя было использовать конструктивно.
С 1950-х годов в США, России и других странах проводятся исследования по управляемому термоядерному синтезу.
Из-за положительной заряженности ядер электростатическое отталкивание представляет основную проблему.
Требуется значительная энергия для слияния ядер, даже самого легкого элемента - водорода.
Для этого топливо нужно нагревать до температуры в сотни миллионов градусов, превращая его в плазму.
Основная проблема заключается в удержании плазмы от контакта с любой поверхностью, поскольку ни один материал не может выдержать такие температуры.
В середине 1950-х г. советские ученые предложили техническое решение - кольцевую тороидальную камеру с магнитными катушками (токамак), в которой плазма удерживается магнитным полем.
Параллельно с токамаками развивалось направление инерциального управляемого синтеза.
Идея заключается в быстром нагреве термоядерного топлива, например, с помощью мощных лазеров.
Из-за инерции образовавшаяся плазма не успевает разлететься (это состояние называют инерциальным удержанием), создавая температуру и давление, необходимые для преодоления отталкивания протонов.
Сегодня магнитный и инерциальный термоядерный синтез - два основных подхода в исследованиях.
Токамаки считаются наиболее перспективными с точки зрения выработки энергии, т.к. теоретически можно добиться устойчивого управляемого эффекта.
Реактор, работающий по инерциальному принципу, является импульсным.
Такие устройства вызывают интерес военных, поскольку позволяют изучать возможности термоядерного оружия без настоящих испытаний.
В Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в США располагается Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций (NIF) - крупнейшая в мире установка инерциального типа.
Здесь используются небольшие мишени с термоядерным топливом (изотопами водорода - дейтерием и тритием), которые облучаются пучками сверхмощных лазерных лучей.
Основной целью NIF, как и любого другого устройства управляемого синтеза, является достижение энергетической безубыточности - состояния, при котором коэффициент усиления термоядерной энергии превышает единицу.
Энергетическая безубыточность вычисляется как отношение энергии, полученной в результате термоядерного горения, к подведенной лазерной энергии.
Расчеты показывают, что с повышением температуры плазмы скорость реакций и саморазогрев системы быстро нарастают, и для поддержания синтеза требуется все меньше энергии от внешних источников.
В конечном счете система переходит на внутреннее энергообеспечение, что называется зажиганием (ignition).
Комплекс NIF был запущен в 2009 г., однако реакцию синтеза долгое время не удавалось получить.
Только в 2018 г. после серии технических улучшений это произошло, но выделилось всего 3,6% от входной энергии лазера.
К августу 2021 г. показатель удалось повысить до 70%.
А в декабре 2022 г. при использовании лазеров энергии 2,05 мегаджоуля получили в 1,5 больше энергии - 3,15 мегаджоуля.
О достигнутом успехе сообщили на брифинге Министерства энергетики США (DOE) и Национального управления ядерной безопасности (NNSA), и недавно вышла статья с описанием деталей эксперимента.
В работе приняли участие 1370 исследователей из 44 институтов.
Во время эксперимента на капсулу размером с бусину, содержащую 220 микрограммов топлива, направили 192 мощных лазерных луча.
В короткий момент импульса в месте их фокусировки температура достигла 151 миллион , а давление - 600 миллиардов атмосфер, то есть было жарче и плотнее, чем в недрах Солнца.
В этих условиях ядра водорода слились, образуя гелий, и произошел выброс энергии длительностью в несколько миллиардных долей секунды.
В течение 2023 г. успех установки NIF подтвержден 3 раза.
Один из выходов достиг 3,88 мегаджоулей при входной энергии в 2,05 мегаджоуля с коэффициентом усиления термоядерной энергии почти 1,9.
Этот успех знаменует начало новой эры в исследованиях ядерного синтеза, но до коммерческого применения синтеза ядра еще далеко.
Энергия, потраченная на питание 192 лазеров установки, превышает 400 мегаджоулей, что означает, что КПД NIF как энергетической установки - менее 1%.
В Саровском ядерном центре (ВНИИЭФ) строится российская установка УФЛ-2М для экспериментов по управляемому термоядерному синтезу с инерциальным удержанием плазмы.
Планируется, что эта установка будет заметно мощнее американского аналога, с энергией, достигающей 4,6 мегаджоуля. Результаты эксперимента прошли проверку международной группой экспертов.
В 20-е годы 20 века физики доказали, что реакции слияния ядер водорода являются основным источником энергии звезд, включая образование гелия и других тяжелых элементов.
Ученые уже более 100 лет пытаются воссоздать термоядерный синтез на Земле.
Первое устройство, в котором применили термоядерный синтез на практике, была водородная бомба.
Однако энергию, выделившуюся при взрыве, нельзя было использовать конструктивно.
С 1950-х годов в США, России и других странах проводятся исследования по управляемому термоядерному синтезу.
Из-за положительной заряженности ядер электростатическое отталкивание представляет основную проблему.
Требуется значительная энергия для слияния ядер, даже самого легкого элемента - водорода.
Для этого топливо нужно нагревать до температуры в сотни миллионов градусов, превращая его в плазму.
Основная проблема заключается в удержании плазмы от контакта с любой поверхностью, поскольку ни один материал не может выдержать такие температуры.
В середине 1950-х г. советские ученые предложили техническое решение - кольцевую тороидальную камеру с магнитными катушками (токамак), в которой плазма удерживается магнитным полем.
Параллельно с токамаками развивалось направление инерциального управляемого синтеза.
Идея заключается в быстром нагреве термоядерного топлива, например, с помощью мощных лазеров.
Из-за инерции образовавшаяся плазма не успевает разлететься (это состояние называют инерциальным удержанием), создавая температуру и давление, необходимые для преодоления отталкивания протонов.
Сегодня магнитный и инерциальный термоядерный синтез - два основных подхода в исследованиях.
Токамаки считаются наиболее перспективными с точки зрения выработки энергии, т.к. теоретически можно добиться устойчивого управляемого эффекта.
Реактор, работающий по инерциальному принципу, является импульсным.
Такие устройства вызывают интерес военных, поскольку позволяют изучать возможности термоядерного оружия без настоящих испытаний.
В Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в США располагается Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций (NIF) - крупнейшая в мире установка инерциального типа.
Здесь используются небольшие мишени с термоядерным топливом (изотопами водорода - дейтерием и тритием), которые облучаются пучками сверхмощных лазерных лучей.
Основной целью NIF, как и любого другого устройства управляемого синтеза, является достижение энергетической безубыточности - состояния, при котором коэффициент усиления термоядерной энергии превышает единицу.
Энергетическая безубыточность вычисляется как отношение энергии, полученной в результате термоядерного горения, к подведенной лазерной энергии.
Расчеты показывают, что с повышением температуры плазмы скорость реакций и саморазогрев системы быстро нарастают, и для поддержания синтеза требуется все меньше энергии от внешних источников.
В конечном счете система переходит на внутреннее энергообеспечение, что называется зажиганием (ignition).
Комплекс NIF был запущен в 2009 г., однако реакцию синтеза долгое время не удавалось получить.
Только в 2018 г. после серии технических улучшений это произошло, но выделилось всего 3,6% от входной энергии лазера.
К августу 2021 г. показатель удалось повысить до 70%.
А в декабре 2022 г. при использовании лазеров энергии 2,05 мегаджоуля получили в 1,5 больше энергии - 3,15 мегаджоуля.
О достигнутом успехе сообщили на брифинге Министерства энергетики США (DOE) и Национального управления ядерной безопасности (NNSA), и недавно вышла статья с описанием деталей эксперимента.
В работе приняли участие 1370 исследователей из 44 институтов.
Во время эксперимента на капсулу размером с бусину, содержащую 220 микрограммов топлива, направили 192 мощных лазерных луча.
В короткий момент импульса в месте их фокусировки температура достигла 151 миллион , а давление - 600 миллиардов атмосфер, то есть было жарче и плотнее, чем в недрах Солнца.
В этих условиях ядра водорода слились, образуя гелий, и произошел выброс энергии длительностью в несколько миллиардных долей секунды.
В течение 2023 г. успех установки NIF подтвержден 3 раза.
Один из выходов достиг 3,88 мегаджоулей при входной энергии в 2,05 мегаджоуля с коэффициентом усиления термоядерной энергии почти 1,9.
Этот успех знаменует начало новой эры в исследованиях ядерного синтеза, но до коммерческого применения синтеза ядра еще далеко.
Энергия, потраченная на питание 192 лазеров установки, превышает 400 мегаджоулей, что означает, что КПД NIF как энергетической установки - менее 1%.
В Саровском ядерном центре (ВНИИЭФ) строится российская установка УФЛ-2М для экспериментов по управляемому термоядерному синтезу с инерциальным удержанием плазмы.
В июне 2023 г. был открыт первый этап комплексаУстановку планируют полностью ввести в эксплуатацию к 2030 г.