Вчені продемонстрували ефективну термоядерну «свічку запалювання»

Методи, вперше використані з використанням лазерної системи OMEGA Лабораторії лазерної енергетики, демонструють потенціал для іскрового термоядерного синтезу у більших масштабах. Дослідники з Лабораторії лазерної енергетики Університету Рочестера (LLE) провели експерименти, демонструючи ефективну «свічку запалювання» для підходів прямого приводу до термоядерного синтезу (ICF). У двох дослідженнях, представлених у журналі Nature Physics, команда ділиться своїми висновками та докладно описує потенціал для розширення цих методів з метою успішного термоядерного синтезу в майбутньому об’єкті.

LLE є найбільшою університетською програмою Міністерства енергетики США, де розміщено лазерну систему OMEGA, яка є найбільшим академічним лазером у світі, але все ще майже в одну соту менша за енергією, ніж National Ignition Facility (NIF) у Національній лабораторії Лоуренса Лівермора в м. Каліфорнія. За допомогою OMEGA рочестерські вчені виконали кілька успішних спроб випустити 28 кілоджоулів лазерної енергії на маленькі капсули, наповнені дейтерієвим і тритієвим паливом, що призвело до вибуху капсул і утворення досить гарячої плазми , щоб ініціювати реакції синтезу між ядрами палива. Експерименти викликали реакції синтезу, які виробляли більше енергії, ніж кількість енергії в центральній гарячій плазмі.

Експерименти OMEGA використовують пряме лазерне освітлення капсули та відрізняються від підходу непрямого приводу, який використовується на NIF. Під час використання підходу непрямого приводу лазерне світло перетворюється на рентгенівське випромінювання, яке, своєю чергою, призводить до імплозії капсули. NIF використовував непрямий привід для опромінення капсули рентгенівськими променями, використовуючи близько 2000 кілоджоулів лазерної енергії. Це призвело до прориву в NIF у 2022 році в досягненні термоядерного запалювання — реакції термоядерного синтезу, яка створює чистий приріст енергії від мішені.

Досягнення та перспективи

«Створення енергії синтезу, яка перевищує внутрішню енергію місця, де відбувається синтез, є важливим порогом», — каже провідний автор першої статті Коннор Вільямс ’23 Ph.D. (фізика та астрономія), нині штатний науковий співробітник Національної лабораторії Сандіа з розробки радіаційних та ICF мішеней. «Це необхідна умова для всього, чого ви хочете досягти пізніше, наприклад для спалювання плазми або досягнення займання».

Показавши, що вони можуть досягти такого рівня ефективності імплозії лише з 28 кілоджоулів лазерної енергії, команда Рочестера схвильована перспективою застосування методів прямого приводу до лазерів з більшою енергією. Демонстрація свічки запалювання є важливим кроком, однак OMEGA занадто мала, щоб стиснути достатньо палива для запалювання.

«Якщо врешті-решт ви зможете створити свічку запалювання та стиснути паливо, прямий привід має багато характеристик, які є сприятливими для термоядерної енергії порівняно з непрямим приводом», — каже доктор філософії Варчас Гопаласвамі ’21. (машинобудування), вчений LLE, який керував другим дослідженням, яке досліджує наслідки використання підходу прямого приводу на лазерах мегаджоульного класу, подібних до розміру NIF. «Після масштабування результатів OMEGA до кількох мегаджоулів лазерної енергії прогнозується, що реакції термоядерного синтезу стануть самопідтримуваними, що називається «палаюча плазма».

Гопаласвамі каже, що ICF з прямим приводом є багатообіцяючим підходом для досягнення термоядерного запалювання та чистої енергії в лазерному синтезі.

Технологічні інновації та співпраця

«Головним чинником успіху цих нещодавніх експериментів є розробка нового методу імплозії, заснованого на статистичних прогнозах і підтвердженого алгоритмами машинного навчання », — говорить Ріккардо Бетті, головний науковий співробітник LLE і професор кафедри Роберта Л. Маккрорі. машинобудування та на кафедрі фізики та астрономії. «Ці прогностичні моделі дозволяють нам звузити пул перспективних проектів-кандидатів перед проведенням цінних експериментів».