Жидкая мишень вносит новый поворот в инерционный синтез

Jul 29, 2023

В декабре прошлого года, когда ученые из Национальной установки зажигания (NIF) Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса добились чистого прироста энергии (или воспламенения) в термоядерном реакторе, можно было практически услышать, как откупоривают шампанское. Открытие НИФ, безусловно, было «необходимым первым шагом», но возможная возможность массового термоядерного синтеза все еще остается далеко-далеко.

Тем больше оснований праздновать небольшой, но необходимый первый шаг к другой форме инерционного синтеза. Исследователи из Лаборатории лазерной энергетики (LLE) Рочестерского университета продемонстрировали концепцию, называемую формированием динамической оболочки (DS), которая может быть использована для создания более дешевых мишеней для энергии инерционного термоядерного синтеза.

В реакции синтеза два более легких атомных ядра объединяются, образуя более тяжелое ядро, выделяя большое количество энергии. Эти реакции происходят в плазме, в условиях чрезвычайно высокой температуры (более 100 миллионов градусов Цельсия) и давления. Им также необходимо надежное удержание, чтобы поддерживать реакцию достаточно долго для получения чистого прироста мощности.

Замороженные топливные мишени Национальной установки зажигания сложно изготовить, и на изготовление каждой уходит несколько дней. Это проблема, поскольку термоядерной установке потребуется около миллиона мишеней в день.

Как и в обширной и широко обсуждаемой установке NIF, в экспериментальной системе Рочестерской группы реакции инициируются путем сжатия и нагревания мишеней с помощью лазеров. Мишенью являются крошечные шарики, наполненные топливом, которое обычно состоит из изотопов водорода дейтерия (D) и трития (Т). Затем энергия термоядерного синтеза генерируется за долю секунды до того, как цель разлетится на части из-за экстремальных температур и плотности в результате сжатия.

В методе ДС вместо обычных мишеней из замороженного водородного топлива, используемых в НИФ, исследователи используют жидкие мишени. Они состоят из капсулы из смоченной пены, в которую впрыскивается капля жидкого топлива DT. Затем цель бомбардируется синхронизированными лазерными импульсами, которые сначала вызывают взрывную волну, а затем заставляют ее расширяться. Взрывная волна образует плотную оболочку с пустотой в центре, и, наконец, оболочка взрывается, высвобождая термоядерную энергию.

«Было неясно, сработает ли этот метод в принципе», — говорит соруководитель Игорь Игуменщев, старший научный сотрудник LLE, — «поэтому мы провели эксперимент, подтверждающий принцип, [чтобы показать], что такая эволюция возможна и стабильна. достаточно, чтобы приступить к дальнейшим исследованиям». Исследователи использовали мишень из пенопласта примерно той же плотности, что и жидкое топливо. Следующим шагом, по их словам, будет проведение эксперимента с топливом ДТ, который будет более сложным.

Замороженные гранулы DT, которые обычно используются в термоядерном синтезе с инерционным удержанием (ICF), сложно изготовить, и для создания одной мишени требуются дни. Это проблема, поскольку термоядерной установке потребуется около миллиона мишеней в день. Однако жидкие мишени, описанные в методе DS, не требуют сложного криогенного наслоения замороженных и, следовательно, намного дешевле и проще в производстве.

Еще одним преимуществом концепции DS является то, что вы начинаете с более простой цели — просто капли жидкости, — говорит Валерий Гончаров, директор теоретического отдела LLE и соруководитель проекта. По его словам, с помощью лазеров мишень расширяется и приобретает форму оболочки с более гладкой поверхностью, чем у системы НИФ. «Теперь мы знаем, что с точки зрения физики нет ничего, что мешало бы нам создавать мишени, которые могут обеспечить правильное зажигание для электростанций», — говорит он. «Что нам нужно, так это эффективно сжать цель».

Недостатком метода формирования ДС является то, что он требует лазерных импульсов большой длительности, которые трудно получить с использованием современных лазерных технологий. Образование ДС также порождает лазерно-плазменные взаимодействия. По словам Гончарова, «сейчас это самая большая проблема в ИТС — устранение плазменных волн, которые рассеивают энергию обратно». «Это то, над чем работают в LLE», — добавляет он.