Американски научен институт е на прага на дългогодишна цел в изследванията на ядрения синтез. National Ignition Facility – NIF използва мощен лазер за нагряване и компресиране на водородно гориво, иницииране на синтез, съобщава БиБиСи.
Експеримент предполага, че целта на „запалване“, при която енергията, отделена чрез синтез, надвишава тази, доставена от лазера, сега е на допирно разстояние. Използването на синтез, процесът, който захранва Слънцето, може да осигури неограничен, чист източник на енергия.
В процес, наречен инерционен затворен синтез, 192 лъча от лазера на NIF, се насочват към капсула с размер на малко зърно, съдържаща деутерий и тритий, които са различни форми на елемента водород.
Това го компресира до 100 пъти плътността на оловото и го нагрява до 100 милиона градуса по Целзий – по-горещо от центъра на Слънцето. Тези условия спомагат за стартирането на термоядрения синтез.
Експеримент, проведен на 8 август дава 1,35 мегаджаула (MJ) енергия – около 70% от лазерната енергия, доставена в горивната капсула. Достигането на запалване означава получаване на добив на синтез, който е по-голям от 1,9 MJ, вложен от лазера.
„Това е огромен напредък за синтеза и за цялата фюжън общност“, казва пред БиБиСи Деби Калахан, физик в Националната лаборатория „Лорънс Ливърмор“, която е домакин на NIF. Като мярка за напредъка, доходността от експеримента този месец е осем пъти предишния рекорд на NIF, установен през пролетта на 2021 г., и 25 пъти доходността от експериментите, проведени през 2018 г.
„Темповете на подобряване на добива на енергия са бързи, което предполага, че скоро може да достигнем до повече енергийни етапи, като например превишаване на енергийната мощност от лазерите, използвани за стартиране на процеса“, коментира проф. Джереми Читенден, съдиректор на Центъра за изследвания на инерционния синтез в Imperial College London.
Учените от NIF също вярват, че сега са постигнали нещо, наречено „изгаряща плазма“, където самите реакции на синтез осигуряват топлината за повече синтез. Това е жизненоважно за превръщането на процеса в самоподържащ се.
„Самоподдържащото се изгаряне е от съществено значение за получаване на висок добив“, обясни д-р Калахан. „Изгарящата вълна трябва да се разпространи в гориво с висока плътност, за да изведе много енергия от синтез. Ние вярваме, че този експеримент е в този режим, въпреки че все още правим анализ и симулации, за да сме сигурни, че разбираме резултата.“
Като следваща стъпка, д р Калахан каза, че експериментите ще се повторят. „Това е фундаментално за експерименталната наука. Трябва да разберем колко възпроизводими и колко чувствителни са резултатите към малки промени. След това имаме идеи как да подобрим този дизайн и ще започнем да работим по тях през следващата година.“
Проф. Читенден обясни: „Мега-джаулът енергия, освободен в експеримента, наистина е впечатляващ в термините на синтез, но на практика това е еквивалентно на енергията, необходима за кипене на чайник. Далеч по-високи енергии на синтез могат да бъдат постигнати чрез запалване, ако можем да измислим как да задържим горивото заедно по-дълго, за да позволим на повече от него да изгори. Това ще бъде следващият хоризонт за инерционно затворено сливане.“
Съществуващата ядрена енергия разчита на процес, наречен делене, при който тежък химичен елемент се разделя, за да произведе по-леки. Синтезът работи, като комбинира два леки елемента, за да направи по-тежък.
Строителството на NIF започна през 1997 г. и завърши през 2009 г. Първите експерименти за тестване на мощността на лазера започнаха през октомври 2010 г.
Другата функция на NIF е да помогне за гарантиране на безопасността и надеждността на американските ядрени оръжия. Понякога учените, които искат да използват огромния лазер за синтез, са били изцедени от експерименти, насочени към националната сигурност.
Но през 2013 г. БиБиСи съобщи, че по време на експерименти в NIF количеството енергия, отделяно чрез синтез, е надвишило количеството енергия, погълнато от горивото – пробив и първи за всяко термоядрено съоръжение в света. Резултатите от тези тестове бяха публикувани по-късно в списанието Nature.
NIF е един от няколкото проекта по света, насочени към напредване на изследванията на синтеза. Те включват съоръжението Iter за милиарди евро, което в момента се строи в Кадараш, Франция.
Iter ще възприеме различен подход към лазерно-управлявания синтез в NIF; съоръжението в Южна Франция ще използва магнитни полета, за да задържа гореща плазма – електрически зареден газ. Тази концепция е известна като синтез на магнитно затворено пространство (MCF).
Но изграждането на търговски жизнеспособни съоръжения за синтез, които могат да доставят енергия на мрежата, ще изисква друг гигантски скок.
„Превръщането на тази концепция във възобновяем източник на енергия вероятно ще бъде дълъг процес и ще включва преодоляване на значителни технически предизвикателства, като например възможността да се пресъздаде този експеримент няколко пъти в секунда, за да се получи постоянен източник на енергия“, каза Професор Читенден.
„Получаването на експериментален достъп до термоядрено изгаряне в лабораторията е кулминацията на десетилетия научна и технологична работа за 50 години“, казва директорът на Националната лаборатория в Лос Аламос Томас Мейсън в изявление. „Това дава възможност за експерименти, които ще проверят теорията и симулацията в режима на висока енергийна плътност по-строго от всякога досега и ще позволят фундаментални постижения в приложната наука и инженерството.“
Ядреният синтез може да направи революция в производството на енергия, като позволи повече енергия без радиоактивни отпадъчни продукти, опасни аерозоли или емисии на парникови газове. Мащабни термоядрени електроцентрали вече се строят, за да се тества тяхната жизнеспособност.
Ако най-накрая може да бъде постигнат синтез на инерционно затваряне, той може да се използва за производство на различни видове термоядрени електроцентрали. Той може също така да позволи изследване на екстремни физически среди, където топлината и налягането са невероятни.
Не става въпрос обаче само за граждански цели. В САЩ NIF има роля в програмата за управление на запасите от ядрени оръжия. „Тези изключителни резултати от NIF дават тласък на науката, от която зависи NNSA, за да модернизира нашите ядрени оръжия и производство, както и да отвори нови възможности за изследване“, каза Джил Хруби, заместник-секретар на DOE по ядрена сигурност и администратор на NNSA.
Последвайте ни и в Телеграм
