Если бы вы дали мне 400 долларов, а я дал бы вам 3,15 доллара, вы бы стали считать себя богаче? Это финансовая аналогия предполагаемого «прорыва» в области термоядерной энергетики.
Ключевые выводы
- В 2021 году мощность лазерного термоядерного синтеза NIF подскочила на 2 500%, что является настоящим прорывом.
- В этом году NIF сообщает, что он добился «зажигания», то есть добился немного большего выхода энергии термоядерного синтеза, чем энергии лазера.
- Однако для производства коммерческой термоядерной энергии NIF необходимо увеличить мощность термоядерного синтеза в каждом эксперименте как минимум на 100 000%. Технологические препятствия просто огромны.
Это снова мы. В 2021 году National Ignition Facility (NIF) объявила о научном прорыве в области технологий термоядерной энергетики. Год спустя они делают еще одно объявление, провозглашенное «изменяющим правила игры», «преобразующим» и «моментом истории». Но это не значимый прорыв для практической коммерческой термоядерной энергетики: NIF по-прежнему потребляет из энергосистемы как минимум в 130 раз больше энергии, чем производит.
Законный прорыв в 2021 году
Большой новостью прошлого года стало то, что NIF резко увеличил мощность термоядерного синтеза в своих экспериментах. В то время я писал о NIF и научной основе его достижения. Они заработали большую часть своего ажиотажа. Вот краткий обзор:
“[NIF] был построен для двух миссий. Проведение исследований в поддержку Программы управления запасами является первостепенной обязанностью, но вывеска над дверью не гласит: «Национальный исследовательский центр запасов. 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 научного сообщества».
«Одной из двух важнейших частей термоядерной миссии NIF является «зажигание»: высвобождение большего количества термоядерной энергии, чем энергия лазера, необходимая 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».
Разрекламированный прорыв в 2022 году
В этой работе выходная энергия лазерного синтеза NIF, измеряемая в мегаджоулях, МДж, подскочила на 2 500%, что является признаком значительного прорыва в физике в ключевой проблеме термоядерного сжигания. На этой неделе было объявлено об увеличении выхода энергии термоядерного синтеза по сравнению с вводом энергии лазера с 70% в 2021 году до 154% в 2022 году. Этот постепенный, возможно, случайный прогресс в направлении термоядерного сжигания не является прорывом.
Установка, наконец, добилась немного большего термоядерного выхода, чем лазерного: воспламенение. На бумаге это большая символическая победа. На практике это мало что значит. Вот почему.
Энергия лазера, доставленная к цели, составляла 2,05 МДж, а мощность термоядерного синтеза, вероятно, составляла около 3,15 МДж. Согласно нескольким источникам на веб-сайте NIF, входная энергия лазерной системы составляет от 384 до 400 МДж. При потреблении 400 МДж и производстве 3,15 МДж чистая потеря энергии превышает 99%. На каждую единицу производимой термоядерной энергии NIF сжигает минимум 130 единиц энергии.
С точки зрения электроэнергии, 3,15 МДж недостаточно для питания одной 40-ваттной лампочки холодильника в течение дня. Стабильная зарядка NIF в течение одного дня потребовала бы от электросети 4600 Вт. (На самом деле NIF заряжается гораздо быстрее, но за счет гораздо большего потребления ватт - больше энергии в единицу времени за меньшее время - но общая энергия та же.)
На пути к жизнеспособной термоядерной мощности
Для производства полезной энергии NIF необходимо увеличить мощность термоядерного синтеза в каждом эксперименте как минимум на 100 000%. Это огромная научная проблема, которую необходимо решить, прежде чем можно будет даже рассматривать возможность коммерческой эксплуатации.
Научная проблема равна и, возможно, превосходит другие. Электростанция должна производить постоянную мощность. В настоящее время NIF проводит в лучшем случае один экспериментальный взрыв в день. Коммерческий завод должен будет взрывать капсулы, производящие термоядерный синтез, со скоростью десятки тысяч в день.
Каждый взрыв требует строгих условий: температура на несколько градусов (Кельвина) выше абсолютного нуля; сферическая капсула, механически совершенная по форме с погрешностью менее 1% ширины волоса; и среда вакуумной камеры. Большинство взрывов страдают от слегка несовершенных условий и производят меньше синтеза.
В любом случае машине требуется несколько часов на восстановление после каждого эксперимента. Тот факт, что NIF может делать это один раз в день, является техническим достижением, на совершенствование которого ушли годы. Сделать это в 10 000 раз быстрее - абсурдно сложно. Если бы это можно было сделать, потребовалось бы еще больше технических средств для извлечения энергии в форме тепла для практического производства электроэнергии.
Наконец, проблема с поставками. Гранулы содержат дейтерий и тритий. Дейтерия много, но весь мировой запас трития составляет около 50 фунтов. В 2020 году рыночная стоимость трития составляла почти 1 миллион долларов за унцию. Ученые Ливермора подсчитали, что коммерческая операция по образцу NIF потребует двух фунтов в день. Производство большего количества трития само по себе будет проблемой.
Отмечайте ответственно
Как и в 2021 году, мы должны хвалить научные достижения НИФ. Многие годы (и карьеры) напряженной работы приводят к прогрессу в решении одной из самых сложных проблем прикладной науки, когда-либо решавшихся. С научной точки зрения это символический прогресс. Но это не прорыв, не переломный момент и не вестник грядущей чистой термоядерной энергии. NIF все еще находится в нескольких десятилетиях от экономически жизнеспособного синтеза.
Примечание редактора: эта статья была обновлена 13 декабря 2022 г., чтобы предоставить более точные и актуальные данные.