Термоядерный синтез — это природное явление, которое обеспечивает нашу планету большей частью энергии, генерируемой за миллионы километров в центре нашего Солнца.
Здесь, на Земле, учёные пытаются воспроизвести горячие и плотные условия, которые приводят к термоядерному синтезу. В центре звезды гравитационное давление и высокие температуры — около 200 миллионов градусов — приводят в движение и сжимают атомы достаточно близко друг к другу, чтобы их ядра соединились в процессе синтеза и выработали избыточную энергию.
«Конечная цель исследований термоядерного синтеза — воспроизвести процесс, который постоянно происходит в звёздах», — говорит Арианна Глисон, научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории SLAC при Министерстве энергетики. «Два лёгких атома собираются вместе и сливаются, образуя одно более тяжёлое и стабильное ядро. В результате избыточная масса — одно ядро имеет меньшую массу, чем два, которые его образовали, — преобразуется в энергию и уносится прочь».
Оставшаяся масса (m) превращается в энергию (E) благодаря знаменитому уравнению Эйнштейна E=mc2. Добиться термоядерного синтеза на Земле на удивление просто — за последние несколько десятилетий этого уже много раз добивались с помощью самых разных устройств. Самое сложное — сделать этот процесс самоподдерживающимся, чтобы одно термоядерное событие стимулировало следующее, создавая устойчивую «горящую плазму», которая в конечном итоге могла бы генерировать чистую, безопасную и обильную энергию для электросети.
«Можно представить себе это так, будто вы чиркаете спичкой», — объясняет Алан Фрай, директор проекта SLAC «Материя в экстремальных условиях» (MEC-U). «После зажигания пламя продолжает гореть. На Земле мы должны создать подходящие условия — очень высокую плотность и температуру, чтобы процесс пошёл, и один из способов сделать это — лазеры».
Инерционная термоядерная энергетика, или ИТЭ, — потенциальный подход к созданию коммерческой термоядерной электростанции с использованием термоядерного топлива и лазеров. ИТЭ получила большую национальную поддержку после того, как учёные из Национального комплекса лазерных термоядерных реакций [National Ignition Facility, NIF] при Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) неоднократно демонстрировали реакции термоядерного синтеза, которые впервые в мире привели к чистому приросту энергии.
«С помощью интенсивных лазерных лучей мы добились зажигания, что означает, что мы получили больше энергии из термоядерной мишени, чем потребили лазеры», — объясняет Зигфрид Гленцер, профессор фотонной науки и директор научного подразделения SLAC по плотности высоких энергий.
Инерционный термоядерный синтез: как это работает
Технология, используемая в NIF, известная как инерционный термоядерный синтез, является одной из двух основных идей, изучаемых для создания термоядерного источника энергии. Другая, известная как магнитный термоядерный синтез, использует магнитные поля для удержания термоядерного топлива в виде плазмы.
При инерционном термоядерном синтезе плазма создаётся с помощью интенсивных лазеров и небольшой таблетки, заполненной водородом — как правило, дейтерием и тритием, изотопами с одним и двумя нейтронами в ядре, соответственно. Таблетка окружена лёгким материалом, который испаряется при нагревании лазером. А когда это происходит, возникает реакция с выделением энергии, приводящая к взрыву, направленному внутрь (имплозии).
«По сути, это сферическая ракета», — объясняет Фрай. «Выхлоп, направленный наружу, толкает ракету в противоположном направлении. В данном случае испарившийся материал на внешней стороне таблетки толкает изотопы водорода к центру».
Лазеры требуется направлять очень точно, чтобы получить симметричную ударную волну, движущуюся к центру водородной смеси и создающую температуру и плотность, необходимые для начала термоядерной реакции. В процессе зажигания NIF используются 192 лазерных луча, чтобы создать эту имплозию и вызвать слияние изотопов.
«Лазерные технологии и наше понимание процесса термоядерного синтеза развивались так быстро, что теперь мы можем использовать лазерное сжатие для создания горящей плазмы в каждом термоядерном событии», — сказал Глисон.
Более быстрые и эффективные лазеры
Но впереди ещё долгий путь. Лазеры, используемые для получения энергии инерционного термоядерного синтеза, должны быть более скорострельными и более электроэффективными, говорят эксперты.
Лазеры на NIF настолько большие и сложные, что могут срабатывать только три раза в день. По словам Глензера, чтобы достичь уровня источника энергии инерционного термоядерного синтеза, «нам нужны лазеры, которые могут срабатывать 10 раз в секунду. Поэтому нам нужно объединить результаты термоядерного синтеза NIF с эффективными технологиями лазеров и топливных мишеней».
Фрай использует аналогию с поршнем в цилиндре автомобиля, чтобы описать, как отдельные термоядерные реакции складываются в устойчивую подачу энергии. «Каждый раз, когда вы впрыскиваете топливо и воспламеняете его, оно расширяется и толкает поршень в вашем двигателе», — сказал он. «Чтобы заставить машину двигаться, нужно делать это снова и снова с частотой тысячи оборотов в минуту или десятки раз в секунду, и именно это нам нужно сделать с энергией инерционного синтеза, чтобы превратить её в жизнеспособный, непрерывный, устойчивый источник энергии».
«Чтобы достичь прироста энергии, необходимого для пилотной термоядерной установки, нам нужно перейти от примерно двойного превышения исходящей энергии над входящей — текущий прирост в экспериментах NIF — к приросту энергии в 10-20 раз по сравнению с энергией, которую мы тратим на лазеры», — сказал Гленцер. «У нас есть моделирование, которое показывает, что это не такая уж неоправданная цель, но для её достижения потребуется много работы».
Более того, существующие оценки энергии, получаемой при зажигании, не включают всю энергию или электричество, которые потребовались для того, чтобы произвести лазерный выстрел. Чтобы сделать ИТЭ энергетически выгодным предприятием, необходимо увеличить эффективность всей системы, в частности эффективности преобразования энергии в лазерах, что потребует прогресса в обоих направлениях: получать больше энергии из термоядерной реакции и вкладывать меньше энергии в лазеры, говорит Фрай.
Недавно объявленные научные и технологические центры по инерциальному термоядерному синтезу, спонсируемые Министерством энергетики США, объединяют специалистов из разных институтов для решения этих задач.
SLAC является партнёром двух из трёх центров, предоставляя опыт и возможности лаборатории в области лазерных экспериментов с высокой частотой повторения, лазерных систем и всех сопутствующих технологий.
«Одним из интересных событий является строительство новых лазерных установок в Университете штата Колорадо [CSU] и SLAC, — говорит Гленцер, заместитель директора центра RISE, возглавляемого CSU. Мощная лазерная установка в CSU и проект MEC-U на источнике когерентного света Linac в SLAC будут основаны на новейшей лазерной архитектуре и будут выдавать лазерные импульсы со скоростью 10 выстрелов в секунду.
«Последние десять лет в LCLS работают лазеры со скоростью более 100 выстрелов в секунду, и это означает, что у нас есть очень большой технологический опыт в проведении экспериментов с высокой частотой повторения», — сказал Гленцер. «Мы разработали новые мишени, диагностику и детекторы, которые могут использовать преимущества высоких частот повторения, что довольно уникально для этой области и хорошо подходит для того, чего мы хотим достичь с помощью ИТЭ».
Но ещё многое предстоит узнать о том, как точно поразить мишень в центре камеры 10 раз в секунду так, чтобы обломки мишени и энергия термоядерного синтеза не повлияли на лазеры и не повредили мишени.
Как партнёр центра STARFIRE, возглавляемого LLNL, SLAC внесёт свой вклад в создание подробных технических требований к лазерным системам для ИТЭ, которые тесно связаны с теми, что будут созданы для проекта MEC-U, осуществляемого в SLAC, говорит Фрай.
«В усовершенствованных лазерах MEC-U будет использоваться более эффективный способ подачи энергии в лазер и усовершенствованная схема охлаждения для работы на более высокой частоте повторения. Технологии, которые мы разрабатываем, и научные вопросы, на которые мы сможем ответить с их помощью, являются убедительными для МФВ».
Кроме того, сверхъяркое рентгеновское излучение LCLS поможет учёным понять, что происходит в водородном топливе в процессе синтеза или что происходит в материале, который испаряется с таблеток, чтобы вызвать имплозию.
Привлечение материалов и людей к работе
На самом деле материалы играют ключевую роль в развитии ИТЭ, говорит Глисон. «Использовать лазеры для равномерной и сферической имплозии мишени очень сложно, потому что материалы всегда несовершенны: Есть дислокация, дефект, химическая неоднородность, шероховатость поверхности, пористость в мезомасштабе. Короче говоря, в материалах всегда есть вариации и дефекты».
По её словам, одна из задач, которую она с нетерпением ждёт, — это более глубокое понимание материалов, связанных с ИТЭ, на атомном уровне, чтобы проверить и уточнить физические модели для конкретных конструкций ИТЭ.
«В SLAC у нас есть феноменальные инструменты для глубокого изучения материалов. Понимая физику несовершенства материалов, мы можем превратить их «недостатки» в особенности, которые можно учесть в их конструкции — у нас может быть много ручек для настройки сжатия в процессе термоядерного синтеза».
Ещё одна важная задача, которую стремятся решить все трое исследователей, — это создание кадров, необходимых для проведения исследований и эксплуатации установок термоядерной энергетики будущего.
По словам Глензера, в хабах предусмотрено финансирование для привлечения студентов. «Мы будем готовить следующее поколение учёных и техников, которые смогут воспользоваться этими новыми возможностями».
Фрай и Глисон также считают, что необходимо привлекать людей в эту область, чтобы термоядерная энергетика, как она развивается, была всеохватывающим предприятием.
«Нам понадобятся инженеры, техники, операторы, специалисты по кадрам и закупкам и т. д.», — говорит Глисон. «Я думаю, что многие молодые люди могут поддержать идею термоядерного синтеза и почувствовать себя сильнее, сделав что-то, что поможет справиться с климатическим кризисом — они хотят увидеть изменения уже при своей жизни».
Гленцер убеждён, что так и будет. «Люди предполагали, что на создание термоядерной электростанции уйдёт 30 лет, но недавний прорыв в зажигании приблизил эту перспективу к реальности. За последние 10 лет работы в NIF мы уже увеличили коэффициент усиления термоядерного синтеза на 1000», — сказал он.
«Потенциал чистого, справедливого и обильного источника энергии — и все научные и технологические достижения, которые сопутствуют развитию термоядерной энергетики, — очень захватывающие».
LCLS является объектом-пользователем Управления по науке Министерства энергетики. Узлы термоядерной энергии были созданы в рамках программы МЭ по исследованию научно-технического ускорителя инерциального термоядерного синтеза (IFE-STAR).
