Давайте отметим прогресс, но верните пробку в бутылку шампанского.
Ключевые выводы
- Национальный завод по воспламенению (NIF) успешно произвел в 25 раз больше энергии синтеза, чем его предыдущий рекорд.
- Это важная разработка для технологии термоядерной энергетики.
- Однако это всего лишь один маленький шаг к тому, чтобы термоядерный синтез стал жизнеспособным источником электроэнергии. Нам еще далеко.
Национальный центр воспламенения (NIF) был построен для двух задач: проведение исследований в поддержку Программы управления запасами ядерного оружия является первоочередной обязанностью, но табличка над дверью не гласит: «Национальный запас Исследовательский центр. NIF назван в честь своей другой задачи: способствовать нашему стремлению понять и использовать энергию ядерного синтеза. Недавний прорыв в этой термоядерной миссии попал в заголовки газет по всему миру.
Удивительная сила синтеза
Слияние атомных ядер для преобразования массы в энергию (E=mc2) достаточно просто для Солнца. Каждую секунду термоядерное горение в его ядре превращает около десяти миллиардов фунтов массы в энергию, создавая 1026 ватт мощности. Миллион триллионов человеческих электростанций с трудом справятся с этим.
Воспроизведение мельчайшей части этого изобилия в контролируемой лабораторной среде оказалось слишком сложной задачей для науки. В то время как ядерное деление (расщепление атомов) десятилетиями приручалось и использовалось как источник энергии, ядерный синтез в лаборатории всегда работал с чистыми потерями, то есть он требует больше энергии, чем может создать.
Для решения проблемы было реализовано несколько схем. Подход NIF - это «термоядерный синтез с инерционным удержанием» (ICF). Чтобы заставить два атомных ядра слиться вместе, необходимо преодолеть их взаимное электрическое отталкивание. ICF взрывает капсулу термоядерного топлива, сжимая атомы топлива до давления в миллиарды атмосфер и температуры в миллионы градусов. NIF использует огромный лазер для запуска этого взрыва, чтобы создать условия, которые можно найти в сердцах звезд. (И, как правильно заметил обозреватель журнала 13.8 Адам Франк, гигантские лазеры - это действительно круто.)
Одной из двух важнейших частей термоядерной миссии NIF является «зажигание»: высвобождение количества термоядерной энергии, превышающего энергию лазера, необходимую для запуска имплозии. После провала Национальной кампании за зажигание многие ученые считали, что зажигание в NIF невозможно. Эта цель остается за пределами нашей досягаемости, но теперь она намного ближе, чем раньше. Более важная новость заключается в том, что мы, возможно, увидели первые признаки другой важной цели термоядерного синтеза: термоядерного сжигания.
Один маленький шаг для Лоуренса Ливермора
В этом месяце NIF объявил (до экспертной оценки) об эксперименте, в результате которого было высвобождено 1,3 миллиона Дж (МДж) термоядерной энергии, что в 25 раз больше, чем их лучший предыдущий результат, опубликованный в 2018 году. более половины энергии привода лазера 1,9 МДж, приближаясь к воспламенению. Более захватывающая новость может заключаться в увеличении в 25 раз энергии термоядерного синтеза. Увеличение на 2500 процентов кажется, что происходит что-то новое.
Исследователи надеются, что происходящее - это процесс, называемый (термоядерным) горением. Если реакция синтеза не достигает горения, то она выделяет энергию только на короткое время, а затем затухает; он не становится самодостаточным. Как только термоядерная реакция начнет гореть, подобно пылающему огню, она будет распространяться по всему доступному топливу под действием собственной неуправляемой энергии, пока это топливо не будет исчерпано.
Это упрощенная картинка. Точно так же, как огонь в печи нуждается в надлежащем кислороде, плотности древесины, влажности древесины и тепловых условиях, чтобы гореть, термоядерное горение также требует определенных условий. В то время как сжигание может потреблять топливо бесконечно, это топливо должно оставаться при экстремальной температуре и давлении, поэтому окно для сжигания ограничено. В течение наносекунд взорвавшаяся топливная капсула разрывается, и эти условия теряются. Тем не менее, достижение горения дает возможность синтезировать гораздо больше топлива, получая гораздо больше энергии.
Итак, когда у нас будет термоядерная энергия?
Давайте рассмотрим этот результат в контексте. Сколько еще пройдет времени, прежде чем мы сможем приводить общество в действие с помощью термоядерного синтеза? Переход термоядерного синтеза с инерционным удержанием от исследовательской установки NIF к коммерческой электростанции сталкивается с большими препятствиями.
Энергия лазерного привода, подаваемая в капсулу (1,9 МДж), составляет лишь часть общей энергии, необходимой для создания одного имплозивного импульса ICF. Каждый шаг преобразования энергии - от (воображаемой) электрической вилки NIF до лазерного луча - увеличивает потери энергии. Это включает в себя самые энергоемкие в мире батареи конденсаторов для накопления сока для взрыва дроби; 7860 крупнейших в мире коммерческих импульсных ламп с лазерной накачкой; и другие «крупнейшие в мире» системы. Потребуется намного больше энергии термоядерного синтеза (более 1,3 МДж), чтобы окупиться при энергопотреблении всего объекта. И коммерческая электростанция должна работать намного лучше, чем безубыточная.
Электрические установки, высвобождающие энергию в виде тепла, должны передавать ее рабочему телу для вращения турбины, питающей электрический генератор. Необходимо будет разработать систему, которая поглощает энергию синтеза и использует ее для нагрева пара. В настоящее время гранула подвешена в середине вакуумной камеры диаметром 30 футов.
Работающая электростанция также должна отдавать свою мощность непрерывно или, по крайней мере, стабильно. Каждый взрыв гранулы NIF производит значительное количество энергии. Потом весь день машина стоит холодная. Если бы всю энергию рекордного эксперимента мощностью 1,3 МДж можно было захватить и отправить в сеть непрерывно в течение 24 часов, это обеспечило бы постоянную мощность в 15 Вт - этого недостаточно для питания лампочки.
Предположим, гипотетически, умные исследователи придумали, как извлечь в 1000 раз больше энергии из каждой гранулы. Количество гранул, которые необходимо взорвать каждый день на коммерческом заводе, по-прежнему будет составлять десятки тысяч.
Важно отмечать с трудом достигнутый прогресс в решении чрезвычайно сложной проблемы. Десятилетия работы, в том числе целая научная карьера, были посвящены исследованиям МКФ. Таким образом, NIF может оказаться на грани получения чистого прироста энергии термоядерного синтеза в лаборатории впервые в истории. Но мы все еще невероятно далеки от жизнеспособной коммерческой термоядерной энергии.