Лазерні спалахи запалюють знання сонячного вогню

Оновлено: 01/19/19 - 17:33

Діаметр вакуумної камери - десять метрів.

Дослідники хочуть використовувати ядерний синтез для отримання кліматично нейтральної енергії. Однак перед цим ще можна пройти довгий шлях, перш ніж він може бути використаний для виробництва електроенергії. Критики проекту вважають, що імовірна зацікавленість суто військова.

Від Фалька Дамбовського

Дослідники сидять зосереджено перед екранами. Останній погляд на дисплеї говорить: запалювання. Найбільша лазерна машина у світі починає працювати. Крихітний лазерний імпульс коливається через підсилювачі, утворюючи величезну лазерну хвилю, яка випромінює з усіх боків у центр сталевої кулі висотою десять метрів. Там у вакуумі пов’язана енергія потрапляє на крихітну кульку водню і стискає її в 20 разів більше щільності свинцю. Мета: Ядра водню повинні зливатися, утворюючи гелій - і в процесі виділяти енергію в надлишку.

Величезний лазерний експеримент, який заповнив би площу Святого Петра в Римі, проходив у спокійному Ліверморі, штат Каліфорнія, з 2009 року. Національний фонд запалювання (NIF), будівництво якого коштувало 3,5 мільярда доларів, є меккою для дослідження лазерного синтезу. Тут нещодавно вчені розкрили найпотужніший лазерний знімок у світі. Маючи пікову потужність 500 трильйонів ват, що в тисячу разів більше енергії, ніж потрібно США за одну секунду, вони досягли піку своїх досліджень до цього часу. "Зараз лазер повністю працює, як і планувалося 20 років тому", - з гордістю оголосив Ед Мойсей, глава NIF.

Заморожені атоми водню, точно сформовані у сфери діаметром два міліметри, поміщені в порожнисту золоту камеру згоряння розміром лише дев'ять міліметрів. За допомогою гігантського лазера водень повинен стискатися в камері згоряння, поки він не спалахне при температурі 100 мільйонів градусів і не сплавиться, утворюючи важчі атоми гелію.

Фьюжн як дієта для атомів

В даний час ядерні дослідники NIF працюють над вдосконаленим методом - швидким займанням. Ультрафіолетове світло потрапляє у золотий порожнистий циліндр з обох сторін. Внутрішня стінка нагрівається і перетворює світло лазера в інтенсивне рентгенівське випромінювання. Усередині крихітного циліндра рентгенівські промені стискають водневу капсулу. Жодного повільного руху недостатньо, щоб продемонструвати швидкість цього процесу: водень у фокусі лазера стискається до гарячої плазми всього за 100 мільярдів секунди, 10 пікосекунд. "На даний момент додаткові короткоімпульсні лазери можуть запалити іскру вогню плавлення в стиснутій паливній кулі", - сказав фізик Андреас Кемп, пояснюючи швидке займання в журналі Spektrum der Wissenschaft. Він є одним з небагатьох німецьких вчених, які беруть участь у проекті NIF.

Якщо синтез вдався, атоми водню плавно зливаються, утворюючи гелій. Це як дієта для атомів. Ви втрачаєте масу, яка перетворюється на енергію, згідно з формулою Ейнштейна: E = mc2. Один грам плавкого палива містить енергію 12,3 тонни кам'яного вугілля. "Ми приносимо зоряний вогонь у лабораторію", - захоплюється Ед Мойсей. А його колега Ріккардо Бетті, директор Наукового центру з термоядерного синтезу в Рочестерському університеті (Нью-Йорк), із захопленням каже: «Для мене лазер є зіркою проекту». Швидке займання має бути вперше випробуване наступного року.

Настільки ейфорічним, наскільки настрої вчених на даний момент є, перспективи раннього використання для виробництва електроенергії приглушені. Перешкоди для перенесення концепції гігантської лазерної зйомки в крихітних сферах до постійної рутинної роботи все ще занадто великі. Принцип роботи електростанції звучить не дуже революційно: ядерний синтез виділяє тепло, яке за допомогою турбін перетворюється в електроенергію.

"Найбільшою проблемою для реактора з термоядерним синтезом є висока частота повторення імплозій, необхідних для комерційного використання", - говорить Кемп. «Потрібно було б десять капсул пального в секунду або один мільйон на день». Для порівняння: NIF все ще потребує близько шести годин часу запуску для одного лазерного знімку. Крім того, ще недостатньо з’ясовано, як нейтрони надзвичайно високої енергії, що виникають як продукт ядерного синтезу, можуть бути ефективно захоплені. І питання достатнього виробництва палива також є проблемою.

"Поверхневий інтерес до досліджень синтезу лазерного синтезу суто військовий", - кажуть критики проекту, такі як фізик Вольфганг Ліберт, речник міждисциплінарної робочої групи з науки, технологій та безпеки (Ianus) в ТУ Дармштадт. "Лазерний постріл для стиснення та сплавлення двоміліметрової водневої кулі - це як міні-бомба в лабораторії"

Гаряча воднева плазма як конкуренція

Дійсно, будівництво NIF фінансується та мотивується військовим шляхом. Проект контролюється Національним агентством з ядерної безпеки США. По-перше, це не лише розслідування цивільного використання ядерного синтезу. "Дослідники NIF також хочуть краще зрозуміти фізичні процеси, пов'язані з вибухом водневої бомби", - говорить Ліберт. З 5 серпня 1963 р. Існує міжнародна угода про припинення випробувань ядерної зброї. Як результат, американські дослідники шукали альтернативи для подальшого розвитку своєї технології ядерної зброї. Тож доречно було, що американський фізик Теодор Майман винайшов перший лазер ще в 1960 році. Відтоді вчені з Каліфорнійської національної лабораторії ім. Лоуренса Лівермора (LLNL), до якої зараз входить NIF, працюють над ідеєю мініатюризації випробувань атомних бомб за допомогою лазерів. У 1972 році американський фізик Джон Нуколлс та його колеги вперше оприлюднили свої ідеї щодо лазерного ядерного синтезу, вказуючи на перспективу цивільного використання. Пара військових досліджень та цивільної мотивації збереглася донині.

У Франції поблизу Бордо наразі будується Laser Mégajoule (LMJ), система настільки ж потужна, як американський NIF. Однак найбільша конкуренція за синтез лазера в США виходить від колег-дослідників з іншою концепцією. Альтернативний метод синтезу, який віддають перевагу більшість вчених, передбачає обмеження гарячої водневої плазми в сильних магнітних полях.

Перший ядерний синтез у лабораторії був досягнутий ще у 1991 р. Спільним європейським тор (JET). В даний час в Кадараші на півдні Франції будується наступне покоління так званої технології токамак - Міжнародний термоядерний експериментальний реактор (Ітер). Мамонтський проект, вартість якого оцінюється приблизно в 15 мільярдів євро, полягає в тому, щоб вперше з 2026 року виробляти стільки енергії плавлення, скільки потрібно для нагрівання плазми. Менший випробувальний реактор Вендельштейна 7-X планується ввести в експлуатацію в Грайфсвальді вже в 2014 році.

Незважаючи на перешкоди та конкуренцію своїх наукових колег, дослідники NIF у Ліверморі на мальовничій затоці Сан-Франциско залишаються впевненими: "Протягом дванадцяти років після першого спалаху лазерного синтезу пілотна електростанція може запрацювати", - заявив один Дослідження LNLL. Запалювання має бути успішним наступного року.