Почти ровно год назад исследователи из Национального центра зажигания достигли исторической вехи в области ядерного синтеза: они достигли порога зажигания — точки, в которой реакция синтеза достаточно энергична, чтобы быть самоподдерживающейся. В течение года они изучали экспериментальные условия, которые позволили им добиться такого результата. Их анализ показывает, что NIF действительно достиг знаменитого критерия Лоусона.
Национальная установка зажигания (NIF) использует 192 мощных лазерных луча (до 1,9 мегаджоуля) для нагрева и сжатия небольшой капсулы, содержащей смесь дейтерия и трития, чтобы вызвать реакции ядерного синтеза. Этот подход известен как инерционный термоядерный синтез (в отличие от магнитного термоядерного синтеза, который используется в токамаках). 8 августа 2021 года в ходе эксперимента была высвобождена рекордная энергия в 1,3 мегаджоуля — эквивалент мощности в 10 квадриллионов ватт в течение 100 триллионных долей секунды, что поставило исследователей на порог термоядерного зажигания.
"Этот рекорд стал крупным научным прорывом в исследованиях термоядерного синтеза, который установил, что лабораторное термоядерное зажигание возможно в NIF", — сказал Омар Харрикейн, главный научный сотрудник Ливерморской национальной лаборатории по термоядерному синтезу с инерционным удержанием Лоуренса (LLNL).
Однако повторить этот подвиг команде так и не удалось. Через год после этого исторического достижения результаты эксперимента подробно изложены в трех научных статьях, опубликованных в журналах Physical Review Letters и Physical Review E.
В статьях описывается конструкция, усовершенствования, внесенные в установку, а затем полученные экспериментальные измерения. Все началось в начале 2021 года, когда команда NIF показала, что установка может производить горящую плазму — горячий, ионизированный газ, в котором основным источником нагрева топлива являются сами термоядерные реакции (а не лазерные импульсы). Но лазер все еще должен был обеспечивать энергию для поддержания термоядерной реакции.
Для того чтобы ядерный синтез когда-нибудь использовался в качестве источника энергии, реакция должна быть самоподдерживающейся. Поэтому задача состоит в том, чтобы поддерживать плазму при температуре выше 100 миллионов градусов достаточно долго, чтобы скорость производства энергии при термоядерном синтезе превышала скорость потери энергии в окружающую среду (за счет теплопроводности и излучения).
Чтобы достичь этого состояния, реакция должна локально производить больше энергии, чем теряет: избыток энергии может быть использован для нагрева других частей топлива, пока там не начнется другая реакция синтеза, и так далее. Впервые этот порог был описан в 1966 году физиком Джоном Лоусоном. "Критерий Лоусона" гласит, что воспламенение происходит, когда произведение плотности плазмы и времени удержания превышает определенный порог.
Пытаясь соответствовать этому критерию, исследователи внесли ряд усовершенствований в свой эксперимент, включая физический дизайн и качество мишени. В частности, они уменьшение трубы, заполняющей водородную капсулу, а также размера входных отверстий лазера в хольраум, в котором находится капсула, — требуя меньше энергии для ее нагрева на начальном этапе, — улучшение геометрии капсулы и повышение стабильности 192 лазерных лучей.
Анализ экспериментальных данных показывает, что критерий Лоусона (и, следовательно, порог зажигания) действительно был достигнут 8 августа 2021 года, что является хорошим предзнаменованием для исследований и развития ядерного синтеза. Но, несмотря на многочисленные попытки, команде пока не удалось добиться таких же показателей. Энни Критчер, физик из LLNL и первый автор статьи, описывающей структуру эксперимента, отмечает, что в игре участвует множество переменных, любая из которых может повлиять на результат эксперимента.
"192 лазерных луча не ведут себя одинаково от выстрела к выстрелу, качество мишеней различно, и слой льда развивается с различной шероховатостью на каждой мишени", — объясняет она.
Незначительные изменения в структуре материала топливных капсул или в интенсивности лазеров могут быть достаточными, чтобы повлиять на конечный выход энергии. Эксперименты, проведенные за последний год, тем не менее, дали выход в диапазоне от 430 до 700 кДж, отмечает команда. Собранные данные позволят команде проекта лучше понять фундаментальные процессы зажигания и изменчивость, присущую этому новому и особенно чувствительному экспериментальному режиму.
"Мы работаем в режиме, к которому ни один исследователь не имел доступа с момента окончания ядерных испытаний, и это невероятная возможность расширить наши знания по мере дальнейшего прогресса", — восторгается Омар Харрикейн.
Теперь они смогут еще больше усовершенствовать свою установку, чтобы воспроизвести рекордные показатели, достигнутые в прошлом году, и, прежде всего, сделать эксперимент более устойчивым к небольшим ошибкам, чтобы его можно было легче воспроизвести. Конечной целью будет производство по крайней мере такого количества энергии, которое обеспечивают лазеры (эффективность эксперимента 8 августа 2021 года составила около 72%). Это обязательное условие для того, чтобы электростанции на основе ядерного синтеза однажды стали реальностью.