RW Space

Недавние сообщения ученых, изучающих новый вид технологии ядерного синтеза, обнадеживают, но мы все еще на некотором расстоянии от «святого Грааля чистой энергии».

Технология, разработанная Генрихом Хора и его коллегами в Университете штата Новый Южный Уэльс, использует мощные лазеры для соединения атомов водорода и бора, высвобождая частицы высокой энергии, которые можно использовать для выработки электроэнергии.

Однако, как и в случае других видов технологии ядерного синтеза, сложность заключается в создании машины, которая может надежно инициировать реакцию и использовать энергию, которую она производит.

Что такое энергия синтеза?

Синтез — это процесс, который питает Солнце и звезды. Это происходит, когда ядра двух атомов оказываются настолько близки друг к другу, что объединяются в один, высвобождая энергию в процессе.

Если реакция может быть воспроизведена в лаборатории, она может обеспечить практически неограниченную электроэнергию при базовой нагрузке с практически нулевым выбросом углерода.

Самая простая реакция, которую можно инициировать в лаборатории, — это синтез двух разных изотопов водорода: дейтерия и трития. Продуктом реакции является ион гелия и быстро движущийся нейтрон. Большинство исследований синтеза до настоящего времени преследовали эту реакцию.

Дейтерий-тритиевый синтез лучше всего работает при температуре около 100 000 000 ℃. Ограничение плазмы — название пламеноподобного состояния материи при таких температурах.

Ведущий подход к использованию силы синтеза называется тороидальным магнитным ограничением. Сверхпроводящие катушки используются для создания поля, примерно в миллион раз более сильного, чем магнитное поле Земли, для удержания плазмы.

Ученые уже достигли синтеза дейтерия-трития в экспериментах в США (испытательный реактор для синтеза в Токамаке) и Великобритании (Объединенный европейский Торус). Действительно, в этом году в британском эксперименте будет проведена кампания по синтезу дейтерия с тритием.

Эти эксперименты инициируют реакцию синтеза, используя массивный внешний нагрев, и для поддержания реакции требуется больше энергии, чем реакция производит сама.

Следующая фаза основных исследований слияния будет включать эксперимент под названием ITER («путь» на латыни), который будет построен на юге Франции. В ИТЭР ионы ограниченного гелия, образованные в результате реакции, будут производить столько же энергии, сколько и внешние источники. Поскольку быстрый нейтрон несет в четыре раза больше энергии, чем ион гелия, мощность возрастет в пять раз.

Чем отличается использование водорода и бора?

Технология, о которой сообщили Хора и его коллеги, предполагает использование лазера для создания очень сильного ограничивающего магнитного поля и второго лазера для нагревания топливно-водородной топливной таблетки, чтобы достичь точки воспламенения.

Когда ядро водорода (один протон) сливается с ядром бора-11, образуются три энергетических ядра гелия. По сравнению с реакцией дейтерий-тритий, преимущество в том, что нет нейтронов, которые трудно удержать.

Решение Хоры состоит в том, чтобы использовать лазер для нагрева небольшой топливной таблетки до температуры воспламенения, а другой лазер для нагрева металлических катушек, чтобы создать магнитное поле, которое будет содержать плазму.

Технология использует очень короткие лазерные импульсы, длительностью всего лишь наносекунды. Требуемое магнитное поле было бы чрезвычайно сильным, примерно в 1000 раз сильнее, чем поле, используемое в экспериментах с дейтерием и тритием.

Хора и его коллеги утверждают, что их процесс создаст «лавинный эффект» в топливной таблетке, что означает, что произойдет намного больше синтеза, чем можно было бы ожидать.

Хотя есть экспериментальные данные, подтверждающие некоторое увеличение скорости реакции синтеза, адаптируя лазерный луч и мишень, для сравнения с дейтериево-тритиевыми реакциями лавинный эффект должен был бы увеличить скорость реакции синтеза более чем в 100 000 раз при 100 000 000 ℃.

Эксперименты с водородом и бором, безусловно, дали захватывающие физические результаты, но прогнозы Хоры и коллег о пятилетнем пути к реализации термоядерной энергии кажутся преждевременными. Другие ученые уже пытались запустить лазерный синтез. Например, попытались добиться воспламенения от синтеза водород-дейтерий, используя 192 лазерных луча, сфокусированных на небольшой цели.

Эти эксперименты достигли одной трети условий, необходимых для одного эксперимента. Проблемы включают точное расположение цели, неравномерность лазерного луча и нестабильность, возникающую при взрывах.

Развитие термоядерной энергии, скорее всего, будет реализовано основной международной программой, в основе которой лежит эксперимент ITER. Австралия имеет международное сотрудничество с проектом ITER в области теории и моделирования, материаловедения и технологий.

Мэтью Хоул, старший научный сотрудник, Институт математических наук, Австралийский национальный университет.

Эта статья опубликована The Conversation.