Физики льют воду

Фото: EPA / ИТАР-ТАСС

Ученые создали очередную «первую в мире» установку ядерного синтеза, которая выделяет больше энергии, чем поглощает

Артем Асташенков

13 февраля, 2014 18:49

5 мин

Американские физики провели два успешных эксперимента по термоядерному синтезу, в ходе которых выделяемая системой энергия превысила полученную. Отчет об их работе опубликован 12 февраля в журнале Nature.

Ядерный синтез — процесс объединения легких ядер атомов в более тяжелые, сопровождающийся существенным выделением энергии. Неуправляемый ядерный синтез человечество освоило еще в 1950-х — сначала США, а затем и СССР испытали водородные бомбы. А вот управляемая самоподдерживающаяся реакция, которая могла бы стать основой нового поколения более эффективных и безопасных электростанций, пока что ученым не дается.

Исследователи из калифорнийской лаборатории NIF (National Ignition Facility, «Национальный комплекс воспламенения») в прошлом году сделали маленький, но важный шаг в сторону создания полноценного реактора ядерного синтеза. В ходе их экспериментов количество энергии, выделенной при синтезе гелия из дейтерия и трития (изотопов водорода), превысило затраченную на запуск этой реакции сначала в 1,7, а затем в 2,6 раза.

Для достижения такого результата американские ученые использовали импульсную систему из 192 лазеров мощностью 500 ТВт, построенную в 2010 году за $3,5 млрд. Ее принцип работы в корне отличается от традиционных и более изученных квазистационарных систем, где топливо в состоянии плазмы удерживается магнитными ловушками в условиях низкого давления и высокой температуры.

Установка в NIF предназначена для так называемого инерциального термоядерного синтеза. Ее задача — нагревать топливо настолько быстро и равномерно, чтобы слияние ядер атомов успевало произойти до разлета плазмы. Собственно, в равномерности нагрева и состоит основная техническая сложность, на частичное преодоление которой у исследователей ушли последние три года.

Импульсная система NIF работает следующим образом. Массив лазеров нагревает сантиметровый золотой цилиндр, тот испускает рентгеновское излучение, сфокусированное на миниатюрной пластиковой капсуле с дейтерием и тритием в газообразном состоянии. Газ сжимается примерно в 35 раз, превращается в плазму, и в самом центре капсулы атомы начинают соединяться.

Когда NIF сообщили о результатах своего первого эксперимента в октябре 2013 года, это выглядело сенсационно — отчасти потому, что никто из персонала лаборатории не оказался на месте для комментария получившим пресс-релиз журналистам. Письмо было отправлено 29 сентября, а 1 октября все американские федеральные госучреждения закрылись из-за бюджетного кризиса. На самом же деле, как тогда, так и сейчас все оказалось не так просто.

В ядерном синтезе выделяют три фазы. Первая условно называется «перевал» — система должна выделять столько же энергии, сколько тратится на запуск и поддержание реакции. Во второй фазе — «горящей плазме» — установка должна вырабатывать уже примерно в пять раз больше энергии, чем потребляет, а реакция должна продолжаться за счет альфа-частиц, являющихся одним из ее продуктов. В третьей фазе — «воспламенении» — реакция, по идее, будет стабильно поддерживать себя сама. Производство при этом должно превышать потребление, по разным оценкам, в 20-50 раз.

Ни одной из этих фаз человечество пока не достигло. Ближе всего к первой ступеньке подобрался экспериментальный реактор JET, находящийся в Великобритании. Это «традиционная» квазистационарная система, удерживающая плазму в тороидальном магнитном поле. Она производит примерно 70% потребляемой энергии.

Ученые рассчитывают преодолеть «перевал» при помощи ITER — Международного экспериментального термоядерного реактора, который сейчас строится на юге Франции. По плану он должен вырабатывать в 10 раз больше энергии, чем потребляет, но для экспериментов исследовательский комплекс будет готов не раньше 2020 года.

Лаборатория NIF рассчитывала достичь к 2012 году «зажигания». На деле, нынешний результат не является даже «перевалом». В результате синтеза выделяется в 2,6 раза больше энергии, чем получает капсула с дейтерием и тритием, но примерно в 100 раз меньше, чем тратит лазерная установка. Так что реальным достижением ученых здесь является беспрецедентная равномерность нагрева топлива в импульсной системе — безусловно, важный, но не слишком заметный шаг.

Инерциальный синтез не скоро будет применим в электроэнергетике и по причине, совсем не зависящей от исследований в этой области. На электростанции импульсная система должна будет «стрелять» лазером по дейтерий-тритиевым мишеням по нескольку раз в секунду. Установка INF должна остывать между «выстрелами» по нескольку часов. Кроме того, не учитываются затраты на производство этих самых мишеней.

ТЕГИ

поддержать проект

Для поднятия хорошего настроения, вы можете угостить наших редакторов чашечкой кофе

Маленькая чашка кофе