Эта новаторская лаборатория ядерного синтеза готовится побить новые рекорды

Вот что будет дальше после прорыва Национального центра зажигания США в области ядерного синтеза в прошлом году

В прошлом месяце Национальный центр зажигания США (NIF) запустил свои лазеры на полную мощность впервые с декабря, когда он достиг своей многолетней цели «воспламенения», производя во время ядерной реакции больше энергии, чем потребляет. Последний запуск не приблизился к такому результату: NIF достиг лишь 4% объема производства, достигнутого в конце прошлого года. Но ученые этого не ожидали.

Опираясь на успех NIF, они сейчас тренируют экспериментальные возможности программы, пытаясь лучше понять возможности установки ядерного синтеза. Здесь Nature смотрит на то, что ждет NIF и будет ли он способствовать глобальным усилиям по созданию огромных запасов чистой энергии для планеты.

NIF, базирующийся в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) в Калифорнии, представляет собой объект размером со стадион, который стреляет 192 лазерами по крошечному золотому цилиндру, содержащему алмазную капсулу. Внутри капсулы находится замороженная таблетка изотопов водорода дейтерия и трития. Лазеры вызывают имплозию, создавая экстремальное тепло и давление, которые заставляют изотопы водорода сливаться в гелий, высвобождая дополнительную энергию.

Одной из главных проблем в реализации этой схемы является изготовление алмазной капсулы. Даже самые маленькие дефекты — оспины размером с бактерию, загрязнение металлом или изменения формы и толщины — влияют на имплозию и, следовательно, на давление и тепло, которые вызывают реакции термоядерного синтеза.

В рекордных экспериментах 2021 и 2022 годов использовались лучшие доступные капсулы, но в марте, в ожидании новой партии, учёные НИФ провели эксперимент с капсулой, одна сторона которой была толще другой. Моделирование показало, что они могли бы компенсировать это несовершенство, регулируя лучи, исходящие от лазеров, чтобы произвести более равномерный взрыв. «Это была проверка их теоретических предсказаний», — говорит Ричард Таун, физик, возглавляющий лабораторию научной программы термоядерного синтеза с инерционным удержанием в LLNL.

Результаты не оправдали их прогнозов, и сейчас исследователи пытаются понять, почему. Но если это направление расследования окупится, говорит Таун, «оно откроет нам больше капсул и улучшит наше понимание имплозии».

В декабре ученым удалось увеличить энергию лазеров и увеличить толщину капсулы, что помогает продлить реакции синтеза. Эксперименты, которые пройдут позднее в этом году, будут следовать аналогичной стратегии, говорит Энни Критчер, физик, возглавляющая разработку кампании.

В долгосрочной перспективе цель состоит в том, чтобы увеличить количество энергии, вырабатываемой в результате реакций синтеза, с 3,15 мегаджоулей, созданных в прошлом году, до сотен мегаджоулей. Таун видит реальный путь к увеличению выхода энергии NIF до десятков мегаджоулей, среди прочего, за счет дальнейшего увеличения энергии лазеров, попадающих в цель. Но он предупреждает, что НИФ, возможно, вскоре придется существенно повысить безопасность: установка рассчитана только на мощность термоядерного синтеза до 45 мегаджоулей. Прежде чем проводить какие-либо эксперименты, которые могут приблизиться к этому пределу, лаборатории необходимо будет в стратегически важных местах укрепить бетонные стены толщиной почти 2 метра, в которых находится реакция.

НИФ никогда не задумывался как электростанция. Его главная цель заключалась в том, чтобы помочь ученым убедиться в надежности и безопасности оружия в ядерных арсеналах США путем воссоздания и изучения реакций, лежащих в его основе. Но включение зажигания в декабре «стало событием, открывающим двери для энергетической программы», говорит Стивен Дин, президент Fusion Power Associates, правозащитной группы в Гейтерсбурге, штат Мэриленд.

Рекордный эксперимент произвел примерно на 50% больше энергии, чем было доставлено в золотой цилиндр, и, что важно, почти в 13 раз больше энергии, сконцентрированной на внутренней топливной таблетке. Для Макса Карасика, физика из Военно-морской исследовательской лаборатории в Вашингтоне, округ Колумбия, это подчеркивает потенциальный путь вперед, который он и другие идут: выбросить золотой цилиндр и сфокусировать лазеры непосредственно на топливной таблетке - экспериментальная конструкция, известная как прямой привод.