Вчені пояснюють, що таке інерційна енергія термоядерного синтезу

Термоядерний синтез — це природне явище, яке забезпечує нашу планету більшою частиною енергії, яка генерується за мільйони миль у центрі нашого Сонця. Тут, на Землі, вчені намагаються відтворити гарячі та щільні умови, які призводять до термоядерного синтезу. У центрі зірки гравітаційний тиск і високі температури (близько 200 мільйонів градусів за Фаренгейтом) активізують і стискають атоми досить близько один до одного, щоб злити їх ядра та виробити надлишок енергії.

«Кінцева мета досліджень термоядерного синтезу — відтворити процес, який постійно відбувається в зірках», — каже Аріанна Глісон, науковий співробітник Національної прискорювальної лабораторії SLAC Департаменту енергетики. «Два легкі атоми збираються разом і зливаються, утворюючи одне важче, стабільніше ядро. У результаті надлишкова маса — одне ядро ​​має меншу масу, ніж два, які його утворили — перетворюється на енергію та виноситься».

Залишок маси (m) стає енергією (E) завдяки відомому рівнянню Ейнштейна E=mc ² . Здійснити термоядерний синтез на Землі напрочуд просто — і це було досягнуто багато разів за останні кілька десятиліть за допомогою широкого спектру пристроїв. Складна частина полягає в тому, щоб зробити процес самопідтримуваним, щоб одна подія термоядерного синтезу спонукала наступну до створення постійної «палаючої плазми», яка зрештою могла б генерувати чисту, безпечну та велику кількість енергії для живлення електричної мережі.

«Це можна розглядати як запалювання сірника», — пояснює Алан Фрай. директор проекту SLAC’s Matter in Extreme Conditions Petawatt Upgrade (MEC-U). «Після спалаху полум’я продовжує горіти. На Землі ми повинні створити правильні умови — дуже високу щільність і температуру — щоб цей процес відбувся, і один зі способів зробити це — за допомогою лазерів».

Введіть енергію інерційного термоядерного синтезу, або IFE, потенційний підхід до будівництва комерційної термоядерної електростанції з використанням термоядерного палива та лазерів. IFE отримав посилену національну підтримку, оскільки вчені Національної установки запалювання (NIF) Національної лабораторії Лоуренса Лівермора (LLNL) неодноразово демонстрували реакції термоядерного синтезу, які вперше у світі призвели до чистого приросту енергії.

«За допомогою інтенсивних лазерних променів ми досягли запалювання, що означає, що ми отримали більше енергії від термоядерної мішені, ніж лазерна енергія, яку в неї вкладає», — пояснив Зігфрід Гленцер, професор науки про фотони та директор наукового відділу високої щільності енергії SLAC.

Термоядерний синтез з інерційним утриманням: як це працює

Техніка, яка використовується в NIF, відома як термоядерний термоядерний синтез, є однією з двох основних ідей, які досліджуються для створення джерела термоядерної енергії. Інший, відомий як термоядерний синтез з магнітним утриманням, використовує магнітні поля для утримання термоядерного палива у формі плазми.

При термоядерному синтезі з інерційним утриманням плазма створюється за допомогою інтенсивних лазерів і невеликої гранули, наповненої воднем — як правило, дейтерієм і тритієм, ізотопами з одним і двома нейтронами в ядрі відповідно. Гранула оточена легким матеріалом, який випаровується назовні під час нагрівання лазерами. І коли це трапляється, відбувається чиста реакція всередину, що призводить до вибуху.

«Це, по суті, сферична ракета, — пояснює Фрай. «Викидаючи вихлопні гази назовні, він рухає ракету в протилежному напрямку. У цьому випадку випарований матеріал на зовнішній стороні гранули штовхає ізотопи водню до центру».

Лазери повинні застосовуватися точно, щоб отримати симетричну ударну хвилю, що рухається до центру водневої суміші, створюючи температуру та щільність, необхідні для початку реакції синтезу. Події запалювання NIF використовують 192 лазерних променя, щоб створити цю імплозію та спричинити злиття ізотопів.

«Лазерна технологія та наше розуміння процесу термоядерного синтезу просунулися настільки швидко, що тепер ми можемо використовувати лазерне обмеження для створення палаючої плазми з кожного термоядерного процесу», — сказав Глісон.

Швидші та ефективніші лазери

Але попереду ще довгий шлях. Експерти кажуть, що лазери, які використовуються для отримання енергії інерційного термоядерного синтезу, повинні бути здатними працювати швидше та стати більш електрично ефективними.

Лазери в NIF настільки великі та складні, що вони можуть запускати лише тричі на день. За словами Гленцера, щоб отримати інерційне джерело енергії термоядерного синтезу, «нам потрібні лазери, які можуть працювати 10 разів на секунду. Отже, нам потрібно об’єднати результати термоядерного синтезу NIF з ефективними технологіями лазера та паливної мішені».

Фрай використовує аналогію з поршнем у циліндрі автомобіля, щоб описати, як окремі реакції термоядерного синтезу сумарно генерують постійну потужність. «Кожного разу, коли ви впорскуєте паливо і запалюєте його, воно розширюється і штовхає поршень у вашому двигуні», — сказав він. «Щоб змусити ваш автомобіль рухатися, вам потрібно робити це знову і знову з тисячами обертів на хвилину — або десятками разів на секунду, і це саме те, що нам потрібно зробити з енергією інерційного термоядерного синтезу, щоб перетворити її на життєздатну безперервну , стійке джерело енергії».

«Щоб отримати приріст енергії, необхідний для пілотної установки термоядерного синтезу, нам потрібно перейти від приблизно вдвічі більшого виходу енергії, ніж вхідного — поточний приріст від експериментів NIF — до приросту енергії, який у 10-20 разів перевищує енергію лазера, яку ми вкладаємо, – сказав Глензер. «У нас є симуляції, які показують, що це не є нерозумною метою, але для її досягнення потрібно буде багато працювати».

Більше того, ці поточні оцінки отримання енергії від запалювання не включають усю енергію чи електрику, які були потрібні, щоб зробити цей лазерний постріл. Щоб зробити IFE енергетичним рішенням, вам потрібно підвищити ефективність усієї системи або настінної розетки, що потребуватиме прогресу в обох напрямках: більше енергії від термоядерної реакції та менше енергії в лазер, каже Фрай.

Нещодавно анонсовані науково-технологічні центри інерційної термоядерної енергії, спонсоровані Міністерством енергетики, об’єднують досвід багатьох установ для вирішення цих проблем. SLAC є партнером у двох із трьох центрів, передаючи досвід і можливості лабораторії у високочастотних лазерних експериментах, лазерних системах і всіх супутніх технологіях.

«Однією захоплюючою подією є нові лазерні установки, заплановані в Університеті штату Колорадо та SLAC», — каже Глензер, який є заступником директора центру RISE під керівництвом CSU. Лазерний комплекс високої потужності в CSU і проект MEC-U на когерентному джерелі світла Linac від SLAC базуватимуться на найновішій архітектурі лазера та подаватимуть лазерні імпульси зі швидкістю 10 пострілів на секунду.

«LCLS працює з лазерами протягом останніх десяти років зі швидкістю понад 100 пострілів на секунду, і це означає, що ми маємо дуже великий технологічний досвід у проведенні експериментів із високою частотою повторення», — сказав Глензер. «Ми розробили нові мішені, засоби діагностики та детектори, які можуть використовувати переваги високої частоти повторень і які є досить унікальними для цієї галузі та добре відповідають тому, чого ми хочемо досягти за допомогою IFE».

Але потрібно ще багато чого дізнатися про те, як точно вразити ціль у центрі камери 10 разів на секунду таким чином, щоб уламки цілі та потужність термоядерного синтезу не вплинули та не пошкодили лазери чи вставку мішені.

Як партнер у центрі STARFIRE під керівництвом LLNL, SLAC сприятиме створенню детальних технічних вимог до лазерних систем для IFE, які тісно пов’язані з тими, які будуть створені для проекту MEC-U, який виконується в SLAC, каже Фрай.

«Удосконалені лазери в MEC-U використовуватимуть більш ефективний спосіб передачі енергії в лазер і передову схему охолодження, щоб працювати з вищою частотою повторення. Технології, які ми розробляємо, і наукові питання, на які ми можемо відповісти за допомогою них, є переконливо для IFE».

Крім того, ультраяскраве рентгенівське випромінювання від LCLS може допомогти вченим зрозуміти, що відбувається з водневим паливом під час термоядерного синтезу, або що відбувається з матеріалом, який здувається з гранули, щоб викликати імплозію.

Залучення матеріалів — і людей — до роботи

Фактично, матеріали відіграють ключову роль у розробці IFE, каже Глісон. «Використовувати лазери для рівномірного і сферичного вибуху мішені дуже складно, оскільки матеріали завжди мають недоліки: є дислокація, дефект, хімічна неоднорідність, шорсткість поверхні, пористість на мезомасштабі. Коротше кажучи, завжди є варіації та дефекти в матеріали».

За її словами, одна з речей, які її дуже цікавлять, — це краще розуміння матеріалів, пов’язаних з IFE на атомному рівні, щоб перевірити й удосконалити фізичні моделі для конкретних конструкцій IFE.

«У SLAC ми маємо феноменальні інструменти для глибокого вивчення матеріалів. Розуміючи фізику недосконалостей, ми можемо перетворити їхні «недоліки» на особливості, які можна врахувати в їхньому дизайні — ми можемо мати багато ручок, щоб обертати під час налаштування стиснення. у процесі синтезу».

Ще одним великим викликом, який хочуть вирішити всі троє дослідників, є створення робочої сили, необхідної для проведення досліджень і експлуатації установок термоядерної енергії майбутнього.

Центри включають фінансування для залучення студентів, сказав Глензер. «Ми будемо навчати наступне покоління вчених і техніків, щоб скористатися цими новими можливостями».

Фрай і Глісон також налаштовані на те, щоб залучити людей у ​​цю сферу, щоб енергетика термоядерного синтезу, оскільки вона розвивається, була інклюзивним підприємством.

«Нам знадобляться інженери, техніки, оператори, фахівці з людських ресурсів і закупівель тощо», — сказав Глісон. «Я думаю, що багато молодих людей можуть об’єднатися за термоядерний синтез і відчути себе сильними, роблячи щось, що відштовхує кліматичну кризу — вони хочуть побачити зміни у своєму житті».

Глензер переконаний, що так і буде. «Люди припускали, що для будівництва термоядерної електростанції знадобиться 30 років, але недавній прорив у системі запалювання наблизив цю перспективу до реальності. За останні 10 років роботи в NIF ми вже збільшили приріст термоядерного синтезу на 1000», він сказав.

«Потенціал для чистого, справедливого та надлишкового джерела енергії, а також усієї науки та технологій, які приходять разом із розвитком термоядерної енергії, є дуже захоплюючим».

LCLS – це користувацька установа Міністерства освіти і науки. Центри термоядерної енергії були сформовані в рамках програми Міністерства енергетики Інерційної термоядерної енергії з наукових і технологічних досліджень (IFE-STAR).