Лазерное термоядерное зажигание: взгляд на прорывы в области ядерного синтеза в перспективе

В этом месяце средства массовой информации были в восторге от сообщения о том, что Национальный центр зажигания США (NIF) совершил значительный прорыв в поисках коммерческого ядерного синтеза. В частности, было объявлено, что чистый прирост энергии термоядерного синтеза (Q) составил около 1,5: при входной мощности 2,05 МДж было получено 3,15 МДж.

Что примечательно в этом событии по сравнению с прошлогодним производством мощностью 1,3 МДж, так это то, что оно демонстрирует оптимизированный режим стрельбы для лазеров NIF, и это меняет то, как Хольраум, содержащий дейтерий-тритиевое (ДТ) топливо, нацелен на достижение более эффективного результата. сжатие. Внутри этого Хольраума генерируются рентгеновские лучи, которые сжимают топливо. При достаточном давлении можно преодолеть кулоновский барьер, который обычно удерживает ядра от сближения друг с другом, и это называется синтезом.

Судя по предварительным результатам, оказалось, что несколько процентов DT-топлива действительно подверглись синтезу. Итак, следующий вопрос: действительно ли это означает, что мы приблизились к тому, чтобы коммерческие термоядерные реакторы производили много энергии?

Как гласит вечная шутка, до ядерного синтеза всегда осталось десятилетие, с момента его открытия сто лет назад. Чего, к сожалению, не хватает во многих сообщениях, когда речь идет о фундаментальных физических исследованиях и разработках, так это более глубокого понимания того, что происходит и что означают любые сообщаемые результаты. Поскольку мы имеем дело с фундаментальной физикой и смело идем в новые области физики плазмы, высокотемпературные сверхпроводящие магниты, а также в новые интересные области исследования материалов, все, что мы можем сделать, — это предоставить надежные обоснованные предположения.

С появлением термоядерных реакторов Z-пинча 1950-х годов казалось, что до коммерческих термоядерных реакторов осталось всего несколько лет. Просто пропустите через плазму высокие токи, чтобы вызвать термоядерный синтез, собрать энергию, и внезапно широко разрекламированные ядерные реакторы деления того времени уже показались пережитками прошлых лет. Поскольку первоначально сообщалось о высоких показателях Q для термоядерных реакторов Z-пинча, газеты печатали заголовки с абсолютной уверенностью, что Великобритания будет строить первые термоядерные реакторы, а за ними последует и остальной мир.

Позже выяснилось, что измерения не были проведены, и что ни предполагаемый выигрыш в термоядерном синтезе не был таким поразительным, как сообщалось, и что никто не осознавал серьезности нестабильности плазмы в реакторах этого типа, которая усложняла их использование. Только после разработки российского токамака, который добавил электромагнитное поле вокруг плазмы, казалось, что с этой динамикой плазмы теперь можно справиться.

Хотя в то время существовало альтернативное решение в виде стеллераторов, они требовали довольно сложной геометрии, которая повторяла бы плазменное поле, а не сужала его. Это означало, что они не стали привлекательными до 1990-х годов, когда возможности компьютерного моделирования стали достаточно хороши, чтобы смоделировать необходимую форму такого реактора. В настоящее время стеллератор Wendelstein 7-X (W7-X) является самой крупной и интересной реализацией такого реактора, который недавно был полностью оснащен охлаждаемыми диверторами, которые должны позволить ему работать непрерывно.

Все это говорит о том, что с 1950-х годов многое произошло, было опробовано множество теорий, некоторые вещи прижились, а другие потерпели неудачу. Именно на этой шаткой грани между областями практической и теоретической физики, а также материаловедения и различных инженерных дисциплин человечество все ближе приближается к созданию практического коммерческого термоядерного реактора.

NIF в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) использует лазерный термоядерный синтез с инерционным удержанием (ICF), что по сути означает, что DT-топливо удерживается на месте во время его взрыва для достижения термоядерного синтеза. По своей сути это не намного сложнее, чем другие концепции термоядерных реакторов, все из которых имеют тенденцию использовать DT-топливо в следующей реакции:

В результате слияния двух ядер водорода выделяется значительное количество энергии, которую можно уловить для создания пара и привода генератора. Тем временем необходимо удалить отходы гелия, захватить высокоскоростные (быстрые) нейтроны и пополнить DT-топливо. Если сравнить это с технологиями термоядерного синтеза с магнитным удержанием (MCF), такими как токамаки и стеллераторы, становится ясно, почему ICF даже не находится в той же лиге.