Новые результаты эксперимента укрепляют потенциал самоподдерживающегося термоядерного синтеза

  • Пользователь Алексей Коровин опубликовал
  • 6 января 2023 г., 11:24:17 MSK
  • 0 комментариев
  • 32 просмотра
На протяжении более 60 лет ученые пытались понять и контролировать процесс термоядерного синтеза, стремясь использовать огромное количество энергии, выделяющейся при соединении ядер в топливе. В новой статье описываются недавние эксперименты, в ходе которых было достигнуто состояние горящей плазмы при термоядерном синтезе, что помогает направить исследования в области термоядерного синтеза ближе, чем когда-либо, к их конечной цели: самоподдерживающейся, контролируемой реакции.

На протяжении более 60 лет ученые пытались понять и контролировать процесс термоядерного синтеза, стремясь использовать огромное количество энергии, выделяющейся при соединении ядер в топливе. Статья, опубликованная сегодня в журнале Природа описывает недавние эксперименты, в ходе которых было достигнуто состояние горящей плазмы при термоядерном синтезе, что помогает направить исследования в области термоядерного синтеза ближе, чем когда-либо, к их конечной цели: самоподдерживающейся, контролируемой реакции.

Исследователи Лос-Аламосской национальной лаборатории, в том числе сотрудники физического отдела, внесли существенный вклад в диагностическую науку для достижения и анализа беспрецедентных результатов. Их диагностические достижения помогли перевести исследования термоядерного синтеза в нынешнюю эпоху на порог воспламенения - точку, в которой термоядерная реакция генерирует больше энергии, чем получает, и может гореть сама по себе.

"Эти эксперименты указывают на переход к другому физическому режиму", - сказал физик из Лос-Аламоса Герман Гепперт-Кляйнрат, член команды Национального центра воспламенения, работающей над проектом "Горящая плазма". "Исследование, описанное в этой статье, показывает, где альфа-нагрев в реакциях превзошел потери между излучением и теплопроводностью. Это захватывающее время, потому что мы находимся на том этапе, когда постоянный незначительный выигрыш в том, как мы проводим наши эксперименты, приведет к экспоненциальным улучшениям ".

Эксперименты по лазерному инерционному термоядерному синтезу проводились на Национальной установке воспламенения в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии. Внутри специально сконструированной полости капсула из углерода диаметром около одного миллиметра содержит как криогенно замороженный дейтерий-тритий, так и ту же газовую смесь - топливо. Когда полость нагревается лазерами, образуется рентгеновская ванна, которая нагревает капсулу до тех пор, пока топливо внутри не сжмется. В результате слияния ядер дейтерия и трития высвобождаются нейтроны и альфа-частицы; последние возвращают свою энергию обратно в горячую точку реакции и тем самым способствуют распространению горения. Такая реакция с преобладанием альфа востребована в качестве ключевого элемента в самоподдерживающемся синтезе.

Экстремальные силы требуют особых возможностей

Силы, действующие при термоядерном синтезе, являются экстремальными. В экспериментах, описанных в статье Nature, температура во время реакции термоядерного синтеза примерно в три раза выше, чем в центре солнца. Продолжительность реакции также невероятно мала, примерно 130 пикосекунд - время, необходимое свету для прохождения всего четырех сантиметров (свет распространяется со скоростью 300 000 километров в секунду).

"Это невероятно жесткий физический режим для проведения измерений", - сказал Гепперт-Кляйнрат. "По сути, мы создаем миниатюрное солнце в лаборатории".

Чтобы собрать значимые данные об этом событии, исследователи из Лос-Аламоса предоставили несколько ключевых диагностических возможностей для Национального центра воспламенения, каждая из которых сопряжена с огромными техническими трудностями. Команда Германна отвечает за диагностику истории гамма-реакции, определяя время взрыва (время максимального сжатия и скорости реакции, также называемое застоем) и продолжительность горения. Прибор gamma reaction history измеряет реакции с временным разрешением до десяти пикосекунд - крошечная временная шкала, в которой свет распространяется всего на миллиметры.

Физик Верена Гепперт-Кляйнрат, руководитель группы по усовершенствованной визуализации в Лос-Аламосе, руководила возможностями нейтронной визуализации, которые обеспечивали трехмерные очертания горячих точек для экспериментов Национальной установки воспламенения. (Так совпало, что Верена замужем за Германом.) Нейтронная визуализация означала измерение 70-микронной горячей точки - равной толщине человеческого волоса - с расстояния 30 метров через расширенную апертуру с отверстиями шириной всего в несколько микрон.

"Мы очень гордимся тем, что, будучи представителями разных областей и разных групп в физике, нам выпала честь вместе участвовать в этом очень важном достижении", - сказала Верена Гепперт-Кляйнрат. "Команды физиков из Лос-Аламоса смогли предоставить уникальную диагностику, чтобы показать маркеры, которые мы ищем в сложных условиях".

Улучшения способствуют прогрессу в направлении слияния

В конечном счете, эксперименты исследовали критерии воспламенения - как можно генерировать термоядерный синтез и как его можно генерировать таким образом, чтобы он распространялся сам по себе, выделяя из топлива больше энергии, чем энергия, необходимая для запуска реакции благодаря лазерам. Эксперименты и анализ результатов предполагали постепенные улучшения, которые могли бы сохранить больше энергии внутри реакции вместо того, чтобы она терялась из-за радиоактивности или теплопроводности. Например, размер топливозаправочной трубки был определен как ограничение производительности с помощью 3D-нейтронной визуализации, и в будущих экспериментах использовалась специально сконструированная топливозаправочная трубка, которая была намного меньше.

Четыре эксперимента или "выстрела" представляли собой значительные достижения в достижении горящей плазмы. При четвертом выстреле было создано больше энергии, чем было потеряно из-за излучения или теплопроводности, и, вероятно, могло бы произойти распространение, если бы капсула не была разобрана при взрыве. Общая выработка энергии, включая энергию лазера для запуска реакции, по-прежнему была чистой отрицательной, но явное улучшение представляло собой переломный момент на пути к самоподдерживающемуся термоядерному синтезу.

Постепенные улучшения значительно окупились в августе 2021 года, когда в ходе эксперимента на Национальной установке воспламенения был достигнут выход 1,3 мегаджоулей - восьмикратное увеличение по сравнению с экспериментами, описанными в публикации Nature. Хотя эксперимент не дотягивает до одного определения воспламенения, он предполагает, что термоядерные исследования вступили в новую эру, с дальнейшими постепенными усовершенствованиями, возможно, способными обеспечить воспламенение и самоподдерживающийся термоядерный синтез.

"Мы находимся на грани срыва экспериментов по сравнению с экспериментами, переходящими в режим воспламенения", - сказал Герман Гепперт-Кляйнрат. "Как только вы переходите в этот режим, где доминирует альфа-нагрев, незначительный выигрыш в том, как мы проводим эксперимент, приводит к очень большому увеличению выхода".

Получение результатов по грандиозной сложной задаче

Понимание динамики синтеза обеспечивает критическое понимание, поддерживающее управление запасами. Важная цель Программы управления запасами, достижение воспламенения и высоких выходов термоядерного синтеза в лаборатории, также является научной проблемой "grand challenge", требующей интегрированных возможностей. Эксперименты на Национальном объекте по воспламенению обеспечивают проверку тех задач, которые не могут быть реализованы никаким другим способом. Команды, занимающиеся имитационным моделированием, работают рука об руку с исследователями физического отдела, постоянно совершенствуя возможности моделирования управления запасами на основе экспериментов на национальных установках воспламенения и их диагностических маркеров.

Достижение зажигания обеспечивает понимание некоторых процессов, которые не могут быть решены никаким другим способом. Отражая сложность и успех этой конкретной серии экспериментов по термоядерному синтезу, в декабре 2021 года команда по сжиганию плазмы на Национальной установке зажигания была отмечена Министерством энергетики наградой с отличием Министра. Команда получила награду за достижения, "присуждаемую группам сотрудников и подрядчиков, которые вместе добились значительных достижений от имени департамента". Награды с отличием - это высшее признание департамента.

Члены команды по сжиганию плазмы в Лос-Аламосской национальной лаборатории: Енхо Ким, Герман Гепперт-Кляйнрат и Кевин Мини (команда по термоядерному сжиганию); Верена Гепперт-Кляйнрат, Карл Уайлд и Ноа Бирге (команда по усовершенствованной визуализации); бывшие члены команды Ханс Херрман и Петр Волегов (на пенсии). Члены команды работают в рамках научной кампании лаборатории 10, Инерциальный термоядерный синтез, руководитель программы Джон Клайн.

Финансирование: Работа была поддержана Министерством энергетики США.

Комментарии

0 комментариев