Физики из Университета Рочестера достигли с помощью установки OMEGA условий, которые позволят в пять раз побить существующий рекорд энергии, выделяемой в инициируемой лазерами термоядерной реакции. Для этого потребуется масштабировать эксперимент до размеров другого известного реактора — NIF (National Ignition Facility), которому и принадлежит рекорд. Интересно, что ученым удалось добиться такого результата с помощью методики, отличающейся от методик эксперимента NIF. По словам авторов, полученное давление плазмы (если его масштабировать до параметров NIF) всего в два раза меньше, чем требуется для «поджига» термоядерной реакции. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, его теоретическая интерпретация опубликована в журнале Physical Review E (R), кратко о нем сообщает пресс-релиз университета.
Термоядерная реакция — высокоэнергетический процесс, в ходе которого одни ядра превращаются в другие. Как правило этот процесс сопровождается выделением энергии, однако для того, чтобы он начался, необходимо преодолеть электростатическое отталкивание между положительно заряженными ядрами. В звездах это достигается за счет очень большой плотности вещества, обеспечиваемой гравитацией. Ученые пытаются создать условия для запуска самоподдерживающейся термоядерной реакции на Земле, но до сих пор эти попытки не были успешны.
На сегодняшний день известны два основных способа генерации энергии от термоядерных реакций — непрерывный и импульсный. Они оба требуют временного удержания плазмы с температурой в несколько миллионов градусов. Главный эксперимент по импульсным реакторам проходит в США на базе NIF, или Национального комплекса лазерных термоядерных реакций. С помощью 192 лазеров ученые «обстреливают» мишень в золотой капсуле-хольрауме. Генерируемое при этом вторичное рентгеновское излучение сжимает смесь дейтерия и трития, обеспечивая огромное давление. В 2014 году NIF впервыедобился того, что саморазогрев смеси выделил в полтора раза больше энергии, чем было поглощено мишенью. Если физикам удастся достичь условий «поджига», то это соотношение возрастет почти в сто раз. Для этого нужны давления в три раза превосходящие давление в центре Солнца.
Подход NIF носит название косвенного — лазерное излучение сначала конвертируется в рентгеновское и лишь потом взаимодействует со смесью. В Университете Рочестера ученые используют прямой подход и сжимают дейтерий и тритий напрямую. Как отмечают физики, этот процесс очень похож на попытку равномерно сжать воздушный шарик — если сжимающие силы будут распределены неравномерно, то некоторые области шарика начнут «выпячиваться». Эксперимент OMEGA, в котором реализуют прямой подход, меньше, чем NIF, и использует 60 лазеров.
Новая работа показала, что прямой подход может быть не менее эффективен, чем косвенный. Ученые добились давлений в плазме в 50 миллиардов атмосфер, что, как показывает экстраполяция, в масштабах NIF произвело бы около 125 килоджоулей энергии саморазогрева. Для сравнения, в 2014 году физики получили на NIF саморазогрев порядка 17 килоджоулей. Важно отметить, что хотя эта энергия невелика — столько потребляет 100-ваттная лампа за 20 минут, в подобных экспериментах она высвобождается за миллиардную долю секунды, что будет соответствовать сотням тераватт мощности.
Добиться этих результатов удалось за счет более точной системы фокусировки лазеров — диаметр капсулы с газом менее одного миллиметра. Фокусировка обеспечивает более равномерное сжатие смеси. Для фокусировки, в частности, используются рентгеновские методы — исследователи получают изображения с выдержкой в 40 пикосекунд, показывающие, как ведет себя вещество при контакте с лазерным излучением.
При реакции ядер дейтерия с тритием образуются альфа-частица — ядро гелия — и свободный нейтрон. Энергия этой реакции в 6,5 миллиона раз превосходит энергию от обычного сжигания такого же количества водорода. Это привлекает внимание большого количества ученых, и, помимо крупных научных экспериментов, существуют и частные стартапы, пытающиеся разработать термоядерные реакторы. Подробнее об их работе можно прочитать в нашем материале.
Владимир Королёв
«Полное освобождение от уплаты дополнительных сборов [feed-in tariffs] на зеленую энергетику является для вас прекрасной бизнес-моделью, но для всех остальных оно представляет проблему».
Аудитория, состоящая из сторонников солнечной энергетики реагировала на все это мертвой, гробовой тишиной, не в силах поверить в услышанное.
В воздухе на конференции SMA Solar, которая является крупным бенефициаром субсидий на зеленую энергию, предоставляемых немецким «законом о возобновляемой энергетике» [EEG feed-in act], витали подавленность и шок. Многие просто не могли понять то, что на них обрушил Габриэль: пьянящие денечки субсидирования зеленой энергетики остались позади – смиритесь с этим.
Следует учитывать, что Габриэль не только министр экономики и вице-канцлер Ангелы Меркель, но так же глава немецкой Социалистической партии (SPD), которая сейчас в союзе с меркелевской CDU формирует коалиционное правительство. Более того, в какой-то момент своей карьеры Габриэль занимал пост министра окружающей среды и является верным поклонником теории глобального потепления и «Неудобной Истины» Эла Гора.
На официальном сайте Lockheed Martin указано, что первый прототип компактного термоядерного реактора увидит свет уже в 2019 году. Там же приведены слова Макгуайера: «термоядерный реактор может быть использован для обеспечения энергией авианосца, небольшого города и даже космического корабля».
Большая часть запасов 3He обязана своим происхождением распаду трития, произведенного во время ядерной гонки вооружений в период холодной войны. В США к 2003 году было накоплено примерно 260 000 л «сырого» (неочищенного) гелия-3, а к 2010 году осталось только 12 000 л незадействованного газа. В связи с возрастанием спроса на этот дефицитный газ в 2007 году даже было восстановлено производство ограниченных количеств трития, и до 2015 года планируется дополнительно получать по 8000 л гелия-3 ежегодно. При этом годовой спрос на него уже сейчас составляет не менее 40 000 л (из них только 5% используется в медицине). В апреле 2010 года американский Комитет по науке и технологии США сделал вывод, что нехватка гелия-3 приведет к реальным негативным последствиям для многих областей. Даже ученые, работающие в ядерной отрасли США, испытывают трудности с приобретением гелия-3 из запасов государства.
Аукционная цена гелия-3 колеблется в районе $2000 за литр, причем никаких тенденций к снижению не наблюдается. Дефицит этого газа обусловлен тем, что основная часть гелия-3 используется для изготовления нейтронных детекторов, которые применяются в устройствах для обнаружения ядерных материалов. Такие детекторы регистрируют нейтроны по реакции (n, p) — захвату нейтрона и испусканию протона. А чтобы засечь попытки завоза ядерных материалов, таких детекторов требуется очень много — сотни тысяч штук. Именно по этой причине гелий-3 стал фантастически дорог и малодоступен для массовой медицины.