В процессе перековки мечей на орала, команда ученых из Ливерморской национальной лаборатории, а точнее Национальной лаборатории зажигания в Калифорнии, достигла краеугольного камня в поисках практического процесса термоядерного синтеза. Согласно сообщению от 12 февраля в журнале Nature, команда использовала самый мощный в мире лазер и осуществила контролируемую реакцию синтеза, которая произвела больше энергии, чем было затрачено на ее зажигание.
Если у инженеров всего мира и есть общая мечта, то это эффективный термоядерный синтез. Буквально используя энергию звезд, он обещает практически неограниченную чистую энергию. Поскольку первый искусственный синтез был впервые продемонстрирован в 1951 году с использованием оружия ядерного деления, ученые и инженеры работали над тем, чтобы создать термоядерный реактор вместо водородной бомбы.
История термоядерного реактора представляет собой одновременно и постоянный взлет, и постоянное падение. Когда работа началась, прогнозы пообещали первый реактор в течение 25 лет. С тех пор он все еще находится на расстоянии 25 лет. Дело в том, что хотя ядерный синтез является относительно простым в теории, начать контролируемую реакцию за пределами ядра звезды чрезвычайно трудно. «Фишка» в том, чтобы достичь точки «зажигания», после которой энергия, вырабатываемая реактором, будет больше, чем вложенная в него, и реакция будет самоподдерживаться.
Термоядерный реактор работает путем имитации условий внутри Солнца. Проще говоря, атомы водорода синтезируются в Солнце, под действием огромной массы формируясь в гелий и высвобождая огромное количество энергии, пока есть мощный источник энергии. Водородная бомба делает то же самое, однако создает нужные условия за миллионную долю секунды.
Термоядерный реактор создает правильное давление и температуры, принимая ионизированную плазму изотопов водорода — дейтерия или трития — и сжимая их с помощью магнитных полей или лазеров, чтобы запустить реакцию. Неудивительно, что это требует огромное количество энергии, которая запускает различные процессы, нагревающие плазму до невероятных температур.
Прорыв Национальной лаборатории зажигания не в зажигании, но в ключевой точке. Команда NIF достигла того, что называется «усилением топлива». Используя массив из 192 высокоэнергетических лазеров, направленных на одну крошечную пластиковую сферу, заполненную смесью дейтерия и трития, ученые подвергли каплю криогенного топлива 1,9-мегаджоулевому свету, чтобы произвести «солнечную» температуру на крошечную долю секунды. Результатом стала реакция синтеза, в которой энергия выхода превзошла энергию, потраченную на зажигание — такого не происходило еще нигде и никогда, кроме сердец звезд и водородных бомб, и это в десять раз больше всего, что было достигнуто до этого. Ключом к этому стала некая «начальная загрузка».
Начальная загрузка работает с использованием альфа-частиц, атомов гелия без электронов. Обычно, когда реакция синтеза производит такие частицы, они отстреливаются, унося энергию с собой. В стадии начальной загрузки смесь дейтерия и трития уловила эти альфа-частицы, которые еще больше разогрели плазму и высвободили еще больше альфа-частиц, чтобы усилить реакцию.
Согласно словам команды, ключом к начальной загрузке было удержание пластикового корпуса с топливом от распада во время сжатия высокоэнергетическим лазерным импульсом. Команда считает, что преждевременный распад в предыдущих экспериментах препятствовал реакции, и путем изменения времени импульса лазера им удалось это предотвратить.
«Что на самом деле замечательно, так это то, что мы наблюдаем постоянно увеличивающийся выхлоп от процесса начальной загрузки, который мы еще называем «самонагреванием» альфа-частиц, по мере того, как увеличивается давление на взрыв каждый раз», — говорит Омар Хуррикейн, ведущий автор работы.
По иронии судьбы, производство электроэнергии не было основной целью команды. NIF предназначена для обеспечения достоверных данных для компьютерных моделей, которые имитируют взрыв ядерной боеголовки в рамках американской программы по производству новых боеголовок. Тем самым она гарантирует, что существующие запасы остаются безопасными и надежными. До всеобщего договора о запрещении ядерных испытаний это производилось посредством подземных ядерных взрывов, но теперь правительство США полагается на лазеры и суперкомпьютеры.
В конце концов, ученые надеются, что процесс начальной загрузки приведет к зажиганию, но пока это остается в будущем, как и практическое применение промышленного реактора. В настоящее время эксперимент способен производить только один процент дополнительной энергии.
