Зажигание достигнуто! Энергия ядерного синтеза теперь в пределах досягаемости

Ядерный синтез уже давно рассматривается как будущее энергетики. Теперь, когда NIF проходит точку безубыточности, насколько мы близки к нашей конечной цели?

Ключевые выводы

• Впервые в истории ядерного синтеза было достигнуто воспламенение: когда энергия, выделяемая в результате реакций синтеза, превышает энергию, вводимую для их запуска.
• Достижение воспламенения или прохождение точки безубыточности является одной из ключевых целей исследований ядерного синтеза с конечной целью достижения термоядерной энергии в коммерческих масштабах.
• Однако достижение этой цели - всего лишь еще один шаг к истинной мечте: обеспечить мир чистой, устойчивой энергией. Вот что мы все должны знать.

На протяжении десятилетий «следующей большой вещью» с точки зрения энергии всегда был ядерный синтез. С точки зрения чистого потенциала для производства электроэнергии, никакой другой источник энергии не является таким чистым, низкоуглеродистым, безопасным, малоотходным, устойчивым и контролируемым, как ядерный синтез. В отличие от нефти, угля, природного газа или других источников ископаемого топлива, ядерный синтез не будет производить парниковых газов, таких как углекислый газ, в качестве отходов. В отличие от солнечной, ветровой или гидроэлектроэнергии, она не зависит от наличия необходимых природных ресурсов. И, в отличие от ядерного деления, здесь нет риска расплавления и долговременного образования радиоактивных отходов.

По сравнению со всеми другими альтернативами, ядерный синтез явно является оптимальным решением для производства энергии на Земле. Самая большая проблема, однако, всегда заключалась в следующем: даже несмотря на то, что реакции ядерного синтеза достигались различными способами, никогда не было устойчивой реакции синтеза, которая достигла бы того, что известно как:

• зажигание,
• чистый прирост энергии,
• или точка безубыточности,

где в реакции синтеза выделяется больше энергии, чем было использовано для его зажигания. Впервые в истории эта веха была достигнута. Национальный завод по воспламенению (NIF) достиг воспламенения, что является огромным шагом на пути к коммерческому ядерному синтезу. Но это не значит, что мы решили наши энергетические потребности; отнюдь не. Вот правда о том, что это действительно замечательное достижение, но впереди еще долгий путь.

Самая простая и низкоэнергетическая версия протон-протонной цепи, которая производит гелий-4 из исходного водородного топлива. Обратите внимание, что только слияние дейтерия и протона дает гелий из водорода; все другие реакции либо производят водород, либо гелий из других изотопов гелия.

Наука о ядерном синтезе относительно проста: вы подвергаете легкие атомные ядра условиям высокой температуры и высокой плотности, запуская реакции ядерного синтеза, которые превращают эти легкие ядра в более тяжелые, что высвобождает энергию, которую вы Затем можно использовать для целей производства электроэнергии. Исторически это было достигнуто в основном одним из двух способов:

1. либо вы создаете удерживаемую магнитом плазму низкой плотности, которая позволяет этим термоядерным реакциям происходить с течением времени,
2. или вы создаете инерционно ограниченную плазму высокой плотности, которая запускает эти термоядерные реакции одним мощным взрывом.

Существуют гибридные методы, в которых используется комбинация обоих, но эти два основных изучаются авторитетными учреждениями. Первый метод был использован реакторами токамака, такими как ITER, для осуществления ядерного синтеза, в то время как второй метод был использован с помощью всенаправленных лазерных выстрелов для запуска синтеза крошечных, богатых легкими элементами гранул, таких как National Ignition Facility (National Ignition Facility). НИФ). За последние тридцать лет или около того записи о том, «кто был ближе всего к безубыточности», менялись между этими двумя методами, но в 2021 году термоядерный синтез с инерционным удержанием в NIF вырвался вперед, достигнув почти безубыточной выработки энергии по некоторым показателям..

Внутренняя часть термоядерной камеры Токамака, над которой работают во время ее технического обслуживания в 2017 году. Пока плазма может удерживаться магнитным полем и контролироваться внутри такого устройства, можно производить термоядерную энергию, но поддерживать удержание плазмы в течение длительного времени является чрезвычайно сложной задачей. Точка безубыточности для термоядерного синтеза с магнитным удержанием еще не достигнута.

Теперь еще одно усовершенствование привело к тому, что термоядерный синтез с инерционным удержанием действительно опередил своего основного конкурента: высвобождение 3,15 мегаджоулей энергии только из 2,05 мегаджоулей лазерной энергии, доставленной к цели. Поскольку 3,15 больше, чем 2,05, это означает, что воспламенение, безубыточность или чистый прирост энергии - в зависимости от предпочитаемого вами термина - наконец достигнуты. Это огромная веха, которая стала возможной благодаря исследованиям, лежащим в основе Нобелевской премии по физике 2018 года, присужденной за достижения в лазерной физике.

Работа лазеров заключается в том, что специфические квантовые переходы, происходящие между двумя различными уровнями энергии электронов в веществе, многократно стимулируются, что приводит к излучению света одной и той же частоты снова и снова. Вы можете увеличить интенсивность вашего лазера за счет лучшей коллимации луча и использования лучшего усилителя, что позволит вам создать более энергичный и мощный лазер.

Но вы также можете сделать более интенсивный лазер, не излучая лазерный свет непрерывно, а контролируя мощность и частоту импульсов вашего лазера. Вместо непрерывного излучения вы можете «накопить» этот лазерный свет и излучать всю эту энергию одним коротким импульсом: либо сразу, либо серией высокочастотных импульсов.

Лазеров Zetawat, достигающих интенсивности 10²⁹ Вт/см², должно быть достаточно для создания реальных пар электрон/позитрон из самого квантового вакуума. Техника, позволившая так быстро увеличить мощность лазера, - это усиление чирпированных импульсов, которую Жерар Муру и Донна Стрикленд разработали в 1985 году, чтобы получить долю Нобелевской премии по физике 2018 года.

Два лауреата Нобелевской премии 2018 года - «Жерар Муру и Донна Стрикленд» - решили именно эту проблему в своем исследовании, получившем Нобелевскую премию. В 1985 году они опубликовали статью, в которой не только подробно описали, как создать сверхкороткий высокоинтенсивный лазерный импульс повторяющимся образом, но и смогли сделать это, не повреждая и не перегружая усиливающий материал. Четырехэтапный процесс был следующим:

1. Во-первых, они создали эти относительно стандартные лазерные импульсы.
2. Затем они растянули импульсы во времени, что уменьшило их пиковую мощность и сделало их менее разрушительными.
3. Затем они усилили растянутые во времени импульсы пониженной мощности, которые материал, используемый для усиления, теперь мог выдержать.
4. И, наконец, они сжали усиленные во времени импульсы.

Сокращение импульса во времени означает, что большее количество света большей интенсивности скапливается вместе в одном и том же пространстве, что приводит к значительному увеличению интенсивности импульса. Этот метод, известный как чирпированное усиление импульса, в настоящее время используется в самых разных областях, включая миллионы корректирующих операций на глазах, выполняемых каждый год. Но у него есть и другое применение: для лазеров, используемых для создания условий, необходимых для термоядерного синтеза с инерционным удержанием.

Начав с маломощного лазерного импульса, вы можете растянуть его, уменьшив его мощность, затем усилить, не разрушая ваш усилитель, а затем снова сжать, создав более мощный импульс с более коротким периодом. пульса, чем это было бы возможно в противном случае. Сейчас мы живем в эпоху аттосекундной (10^-18 с) физики, если говорить о лазерах.

То, как работает термоядерный синтез с инерционным удержанием в NIF, действительно является примером успеха подхода «грубой силы» к ядерному синтезу. Взяв гранулу легкоплавкого материала - обычно смесь легких изотопов водорода (например, дейтерия и трития) и/или гелия (например, гелия-3) - и обстреляв их мощными лазерами со всех сторон одновременно, температуру и Плотность ядер внутри шарика резко возрастает.

На практике, этот рекордный выстрел в NIF задействовал 192 независимых мощных лазера, стреляющих одновременно по пуле-мишени. Импульсы приходят с интервалом в доли миллионных долей секунды друг от друга, где они нагревают гранулу до температуры более 100 миллионов градусов: это сравнимо с плотностью и превышает энергию, обнаруженную в центре Солнца. Когда энергия распространяется от внешней части шарика к его ядру, запускаются реакции синтеза, в результате которых из более легких элементов (таких как дейтерий и тритий, т.е., водород-2 и водород-3), высвобождая при этом энергию.

Несмотря на то, что временная шкала всей реакции может быть измерена в наносекундах, взрыв лазеров плюс окружающая масса шарика достаточны, чтобы на короткое время (по инерции) удержать плазму в ядре шарика, позволяя большому количеству атомных ядер слиться за это время.

Ядерное испытание «Айви Майк» было первым в мире термоядерным устройством: в нем реакции деления и синтеза объединяются, чтобы создать более энергетический выход, чем может достичь только бомба деления. В отличие от бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки, мощность которых измерялась десятками килотонн в тротиловом эквиваленте, термоядерные устройства могут достигать десятков и даже сотен мегатонн в тротиловом эквиваленте. Хотя эти устройства намного превышают точку безубыточности, реакции синтеза неконтролируемы и не могут быть использованы для производства полезной энергии.

Есть несколько причин, по которым этот последний шаг действительно является захватывающим - даже изменяющим правила игры - развитием в поисках энергии ядерного синтеза. С 1950-х годов мы знаем, как запускать реакции ядерного синтеза и генерировать больше энергии, чем мы вложили: посредством термоядерного взрыва. Однако этот тип реакции является неконтролируемым: его нельзя использовать для создания небольшого количества энергии, которую можно использовать для производства полезной мощности. Он просто срабатывает сразу, что приводит к огромному и крайне неустойчивому выбросу энергии.

Однако результаты этих ранних ядерных испытаний, включая подземные испытания, показали, что мы могли бы легко получить безубыточную (или большую, чем безубыточная) выходную мощность, если бы мы были способны вводить 5 мегаджоулей лазерной энергии в равной степени. вокруг шарика из легкоплавкого материала. В NIF более ранние попытки термоядерного синтеза с инерционным удержанием имели только 1,6 мегаджоуля, а позже - 1,8 мегаджоуля лазерной энергии, падающей на цель. Эти попытки не достигли точки безубыточности: в сотни и более раз. Многие из «выстрелов» полностью не привели к синтезу, так как даже незначительные дефекты сферичности шарика или времени лазерных ударов сделали попытку неудачной.

В результате несоответствия между возможностями NIF и продемонстрированной энергией, необходимой для истинного возгорания, исследователи NIF годами лоббировали на конгрессе дополнительное финансирование в надежде создать то, что, как они знали, будет работать: система, которая достигла 5 мегаджоулей падающей энергии. Но уровень финансирования, который потребовался бы для такого начинания, считался непомерно высоким, и поэтому ученым НИФ пришлось проявить большую изобретательность.

Техник в костюме, чтобы не загрязнить материал внутри основной камеры в Национальном центре зажигания, работает с экспериментальным оборудованием. Достижение «безубыточного» синтеза после десятилетий прогресса представляет собой кульминацию огромных научных усилий.

Одним из основных инструментов, на который они полагались, было детальное моделирование того, как будут протекать реакции синтеза. В самом начале и даже в последние годы многие представители термоядерного сообщества высказывали опасения, что эти симуляции ненадежны, а проведение подземных ядерных испытаний - единственный надежный способ собрать необходимые физические данные. Но эти подземные испытания создают радиоактивные осадки (которые обычно, но не всегда, остаются в пределах подземной полости), как и следовало ожидать всякий раз, когда ядерные реакции происходят в присутствии уже тяжелых элементов. Производство долгоживущего радиоактивного материала нежелательно, и это не только недостаток подземных ядерных испытаний, но и метод термоядерного синтеза с магнитным удержанием.

Но термоядерный синтез с инерционным удержанием, по крайней мере, когда он выполняется на таблетке водородного топлива в течение коротких периодов времени, вообще не имеет этой проблемы. Никакие долгоживущие тяжелые радиоактивные элементы не производятся: с этим согласны и симуляции, и реальные испытания. Моделирование показало, что, возможно, всего лишь с 2 мегаджоулями лазерной энергии, падающей на цель с правильными параметрами, может быть достигнута реакция синтеза, превышающая безубыточность. Многие скептически относились к этой возможности и к симуляциям в целом. В конце концов, когда дело доходит до любого физического процесса, только данные, собранные из явлений реального мира, могут указать путь.

На этом изображении показана целевая бухта NIF в Ливерморе, Калифорния. Система использует 192 лазерных луча, сходящихся в центре этой гигантской сферы, чтобы заставить крошечную таблетку водородного топлива взорваться. Впервые серия лучей, падающая энергия которых составила 2,1 мегаджоуля, вызвала высвобождение большего количества энергии (3,15 мегаджоуля) в процессе ядерного синтеза, чем было введено.

Вот почему это недавнее достижение NIF действительно вызывает восхищение. Среди ученых, занимающихся термоядерным синтезом, есть поговорка: эта энергия смывает все грехи. При 5 мегаджоулях лазерной энергии, падающей на гранулу, была бы гарантирована мощная термоядерная реакция. Однако при 2 мегаджоулях все должно было быть точным и чистым.

• Оптические линзы, которые фокусируют лазеры, должны быть полностью очищены от загрязнений и пыли.
• Импульсы от почти 200 лазеров должны были достичь цели одновременно, менее чем за миллионную долю секунды.
• Мишень должна быть идеально сферической, без видимых дефектов.

И так далее. Буквально два года назад в НИФ был проведен замечательный лазерный «выстрел», когда энергия лазера впервые была увеличена до 2 мегаджоулей. Он произвел около 1,8 мегаджоулей энергии (почти достигнув точки безубыточности) при соблюдении всех этих условий, что является убедительным доказательством в поддержку того, что предсказывало моделирование. Но это последнее достижение, где энергия была поднята совсем немного (до 2.1 мегаджоуль), производили значительно увеличенную 3,15 мегаджоуля энергии, даже несмотря на то, что они использовали менее совершенную сферическую и более толстую мишень для своей пули. Они смогли подтвердить предсказания и надежность своих симуляций, одновременно продемонстрировав истинность идеи о том, что энергия действительно смывает грехи несовершенства.

Это моделирование различных температур горячей плазмы, образующейся после лазерного удара по цели, показывает неравномерный нагрев цели и распространение энергии на одном снимке во времени. Моделирование, хотя его часто подвергают сомнению, было полностью подтверждено последними результатами NIF.

Ядерный синтез очень серьезно изучался с целью производства электроэнергии в коммерческих масштабах на протяжении более 60 лет, но именно этот эксперимент знаменует собой самый первый случай в истории, когда хваленая точка безубыточности была пройдена.

Однако это не означает, что климатический/энергетический кризис уже решен. Наоборот, хотя это, безусловно, шаг, достойный похвалы, это всего лишь еще одно постепенное улучшение на пути к конечной цели. Чтобы было ясно, вот шаги, которые должны быть выполнены, чтобы термоядерная энергия коммерческого масштаба стала жизнеспособной.

1. Реакции ядерного синтеза должны быть достигнуты.
2. В результате этих реакций должно появиться больше энергии, чем было затрачено для запуска этих реакций.
3. Возникающая энергия должна быть затем извлечена и преобразована в форму энергии, которую затем можно либо хранить, либо передавать: другими словами, использовать с пользой.
4. Энергия должна производиться постоянно или периодически, чтобы она могла обеспечивать мощность по требованию, как это требуется для любого другого типа электростанции.
5. И материалы и оборудование, израсходованные и использованные/поврежденные во время реакции, должны быть заменены и/или отремонтированы в сроки, не препятствующие повторению этой реакции.

После того, как мы застряли на шаге 1 более полувека, этот недавний прорыв, наконец, приводит нас к шагу 2: достижению того, что мы называем «зажиганием». Впервые следующие шаги не вызывают научных сомнений; они просто связаны с техническими деталями, необходимыми для воплощения в жизнь этой уже проверенной технологии.

Сегодня большая часть электроэнергии, распределяемой через электростанции и подстанции, вырабатывается за счет угля, нефти, газа, солнечной энергии, энергии ветра или гидроэлектроэнергии. В будущем термоядерные установки смогут безопасно и надежно заменить практически все из них.

Если вы думали о термоядерной энергии, скорее всего, вы столкнулись со старой поговоркой: «Жизнеспособная термоядерная энергия появится через 50 лет… и всегда будет». Но, по словам профессора Дона Лэмба из Чикагского университета, это определенно уже не так. Когда я спросил его об этом, он заявил:

“Это было тогда, а это сейчас. Пока существовали физические процессы, которые мы не понимали, пока не изучили их надежно, никто не мог быть уверен, что мы сможем [достичь воспламенения]. Физика плазмы невероятно богата, как [физика] лазеров.

Природа давала отпор; как только вы имели дело с одним физическим процессом, природа сказала: «А-ха! Вот еще!» Поскольку мы не понимали всех физических процессов, которые стояли у нас на пути, мы думали: «О, я разобрался с этой проблемой, так что это будет через 50 лет», и это просто продолжалось, как что до бесконечности. Но теперь мы можем сказать: «О, природа, у тебя кончились трюки, теперь я тебя поймал».

Другими словами, до того, как мы добились возгорания, то есть до того, как мы прошли точку безубыточности, мы знали, что будут фундаментальные научные проблемы, которые нам еще предстоит раскрыть. Но теперь эти проблемы выявлены, решены и позади. Есть еще много проблем развития, которые нужно решить и решить, но с научной точки зрения проблема прохождения точки безубыточности и производства большего количества энергии, чем мы вкладываем, наконец-то решена.

Нынешние атомные электростанции используют расщепляющийся источник для нагрева воды, превращая ее в пар, который поднимается вверх и вращает турбины, вырабатывая электроэнергию. Хотя термоядерный синтез с инерционным удержанием будет спорадическим способом производства энергии, конечный результат производства большого количества полезной энергии, распределяемой по энергосистеме, все еще должен быть досягаем в 21 веке.

Есть множество выводов из этой новой разработки, но вот что, я думаю, каждый должен помнить о ядерном синтезе, когда мы движемся вперед в будущее.

• Мы действительно прошли точку безубыточности: когда энергия, падающая на цель - ключевая энергия, запускающая реакцию синтеза, - меньше энергии, которую мы получаем в результате самой реакции.
• Этот порог составляет чуть более 2,0 мегаджоулей падающей лазерной энергии, что намного меньше, чем многие, которые утверждали, что 3,5, 4 или даже 5 мегаджоулей потребуются для достижения точки безубыточности.
• Должна быть построена новая установка с линзами и аппаратурой, способной противостоять этим новым энергиям.
• Прототип установки для выработки энергии должен будет использовать все еще разрабатываемые технологии: безопасно заряжаемые батареи конденсаторов, большие системы линз, чтобы можно было производить последовательные выстрелы, генерирующие термоядерный синтез, с новым набором линз, в то время как возможность «исцеления» недавно использованного набора, способность использовать и преобразовывать высвободившуюся энергию в электрическую, системы накопления энергии, способные удерживать и распределять энергию во времени, в том числе в промежутке между последовательными выстрелами и т. д.
• И мечту о домашнем термоядерном заводе, который живет у вас на заднем дворе, придется отодвинуть в далекое будущее; жилые дома не могут выдержать мегаджоулей энергии, проходящей через них, а необходимые конденсаторные батареи создадут значительную опасность пожара/взрыва. Это не будет на вашем заднем дворе или на чьем-либо заднем дворе; эти усилия по созданию термоядерного синтеза принадлежат специальному, тщательно контролируемому объекту.

В целом, сейчас идеальное время для значительных инвестиций во все эти технологии, и это достижение дает нам все основания полагать, что мы можем полностью обезуглерожить энергетический сектор во всем мире в 21 веке. Это потрясающее время для человека на планете Земля; теперь мы должны учитывать наши инвестиции.

Итан Сигел благодарит профессора Дона Лэмба за бесценную беседу о последнем исследовании NIF.