Лазерный синтез приближается к важному этапу

ЛЛНЛ

Инженеры осматривают термоядерную камеру на национальном заводе зажигания.

Это может быть год, когда Национальный фонд зажигания (NIF) наконец оправдывает свое название. Установка, которая может похвастаться крупнейшим в мире лазером, предназначена для запуска процесса синтеза путем наложения целевого осадка изотопов водорода, тем самым высвобождая больше энергии, чем пойдет на выстрел. Менеджеры NIF считают, что конец их двухлетней кампании за безубыточную энергию или «воспламенение» уже не за горами. «У нас есть все возможности для того, чтобы это произошло в 2012 финансовом году», - говорит Эд Мозес, директор учреждения стоимостью 3,5 миллиарда долларов США в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в Калифорнии.

Но даже если пробки от шампанского лопнут, этот метод - форма слияния «инерционного удержания» - стоит перед неопределенным будущим. Означает ли успех, что Министерство энергетики США (DOE) будет готово превратить его в экономически жизнеспособный источник энергии? И если да, то является ли лазерный подход NIF лучшим? Промежуточный отчет, опубликованный 7 марта группой экспертов по национальным академиям США, заключает, что об этом еще рано говорить, и рекомендует ученым по термоядерному синтезу изучить альтернативные технологии для взрыва топлива.

Глен Вурден, физик плазмы из Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико, соглашается с этим, говоря, что ученые, работающие над инерционным ограничением, должны с осторожностью класть все свои яйца в лазерную корзину. «Сейчас это преждевременно», - говорит он. Он указывает на проблемы, которые преследуют конкурирующий подход к термоядерному синтезу - магнитное удержание - и его флагманский проект ITER, международный эксперимент по термоядерному синтезу стоимостью 21 млрд. Долл. США, строящийся в Сен-Поль-лез-Дюранс, Франция. Вурден винит в задержках ITER и издержках из-за преждевременной приверженности технологии, известной как токамак, клетка в форме пончика, внутри которой мощные электромагниты удерживают термоядерную плазму.

Несмотря на раннюю уверенность, подкрепленную благоприятными компьютерными моделями, NIF также отстал от графика. «Он думал, что в сумке есть зажигание», - говорит Вурден. Вместо этого подход НИФ к нагреванию и сжатию изотопов водорода оказался проблематичным. В так называемом непрямом приводе множественные лучи лазера фокусируются на отверстиях в золотом цилиндре размером с карандашный ластик, называемом «холраум», взрывающим внутренности для создания рентгеновских лучей. Затем рентгеновские лучи нагревают и сжимают топливную таблетку внутри hohlraum, чтобы произвести слияние. Но неожиданно турбулентные взаимодействия между лазерным светом и плазмой внутри hohlraum сока энергии от лучей. Это может свести на нет любые выгоды, поскольку менеджеры NIF увеличивают энергию лазера до порога, необходимого для зажигания.

Команда NIF, однако, добилась устойчивого прогресса. Когда попытка воспламенения началась 18 месяцев назад, установка достигла 1% условий, которые считались необходимыми для воспламенения. Сейчас эта цифра составляет 10%, и темп ускоряется: только за январь было сделано 57 снимков (см. «Power play» ). Команда также изучает множество настроек, в том числе заключает в оболочку топливо в бериллий или алмаз вместо пластика и изменяет материал холера или его форму. Моисей говорит, что также возможно увеличить пиковую энергию NIF с 1,8 мегаджоуля, по оценкам, необходимой для безубыточности, до 2,2 мегаджоуля.

Тем не менее, как отмечается в докладе национальных академий, другие подходы могут обеспечить более легкий путь к возгоранию и, в конечном итоге, к практической силовой установке. Но кто будет платить за их разработку? Большая часть исследований по инерционному ограничению в Соединенных Штатах и ​​во всем мире была поддержана национальными комплексами безопасности и вооружения, которые хотят изучать синтез для целей оружия, а не для электроэнергии. Сегодня лазерный синтез в Соединенных Штатах обосновался в Национальной администрации по ядерной безопасности, подразделении Министерства энергетики США, ответственном за управление запасами ядерного оружия.

В Управлении науки Министерства энергетики США практически нет денег, выделяемых на исследование инерционных условий. Подавляющее большинство поддерживает термоядерный синтез и все чаще эти деньги платят за ИТЭР. Стивен Дин, президент Fusion Power Associates, адвокатской группы, базирующейся в Гейтерсберге, штат Мэриленд, говорит, что даже если группа ученых в своем окончательном отчете призывает к созданию надежной программы энергии инерционного удержания, исследованию будет трудно найти дом с офисом. науки. «Думаю, это просто проигнорирует», - говорит он. «ИТЭР, очевидно, является его главным приоритетом, и они изо всех сил пытаются спасти его».

460 млн. Долл. США, запрошенные на работу NIF в 2013 году, позволят ему изменить свой подход. Например, физики плазмы из Университета Рочестера в Нью-Йорке хотят адаптировать лазеры NIF таким образом, чтобы они могли непосредственно взрывать гранулы изотопа водорода и обходиться без холраума.

Однако ученые НИФ не ждут альтернативных подходов, чтобы наверстать упущенное. Еще до достижения зажигания они стремятся спланировать свой следующий проект, демонстрационную силовую установку, которую они называют LIFE, для Laser Inertial Fusion Energy. Чтобы быть экономически выгодным, завод должен будет производить более чем в 50 раз больше энергии с каждого выстрела, чем он вкладывает, и должен был бы повышать частоту повторения с нескольких выстрелов в день до 15 в секунду - это не подвиг.

В тихом, кавернозном объекте NIF находится макет одной из модульных линий лучей, которые составляют ЖИЗНЬ, достаточно маленькую, чтобы поместиться в кузов грузовика. Принимая во внимание, что установка NIF использует тысячи громоздких лампочек для накачки энергии в стеклянные лазеры, LIFE будет использовать небольшие светодиоды с транзисторным питанием. Моисей опровергает мысль о том, что слишком рано связывать себя лазерами с драйверами будущей электростанции. Он сказал, что благодаря инвестициям в лазеры и транзисторы для бытовой электроники мир уже выбрал. Историки оглянутся назад, и «они увидят транзистор и лазер как поворотный момент».

Директор LIFE Майк Данн говорит, что капитальные затраты на пилотную установку составят около 4 миллиардов долларов, и к началу 2020-х годов в сеть могут быть вложены сотни мегаватт - по крайней мере, на десятилетие раньше, чем сообщество магнитного синтеза надеется обеспечить. практическая силовая установка. Вспоминая первый раз, когда он представил концепцию LIFE исследователям магнитного синтеза на конференции несколько лет назад, Моисей говорит: «Реакция была почти жестокой:« Этого не может быть ». Они были в шоке от амбиций этого наверняка. И они все еще есть.