В начале декабря всех гиков от физики порадовала новость о том, что в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса достигли положительного выхода энергии термоядерной реакции.

Вот только несклоько постов на Пикабу об этом:

Хорошие новости

То о чем так долго говорили большевики, свершилось! Лазерная установка NIF вышла в термоядерный плюс

В США добились прорыва в термоядерном синтезе, сымитировав происходящий на Солнце процесс

Событие, безусловно, знаковое, так как впервые за последние 70 лет, энергия, произведённая системой, превысила подведённую энергию в 1,53 раза. Этот коэффициент обозначается буквой Q.

Однако, говорить о том, что мы в одном шаге до энергетического эльдорадо, по-прежнему рано.

Как работает установка NIF

Идея заключается в том, чтобы очень быстро нагреть крохотную капсулу термоядерного топлива так, чтобы получившаяся плазма внутри неё успела прореагировать до того, как её частички разлетятся в разные стороны. Поскольку их ничего не удерживает, кроме собственной инерции, такой вид термоядерного синтеза получил название «инерциального».

Микрокапсула с термоядерным топливом

Для нагрева используются лазеры. Всего на установке 2 пакета по 96 мощных лазеров. Здесь я приведу очень сжатое описание того, как именно они работают, так как это будет важно чуть позднее.

Схема установки

Импульс начинается с низкоэнергетической выспышки инфракрасного излучения (1053 нм). Импульс генерируется волоконным лазером. Он является резонатором для всех 192 лучей. Импульс первоначально разделеяется на 48 лучей, которые направляются в модули предварительного усиления. В каждом из них происходит двухступенчатый процесс усиления при помощи ксеноновых газоразрядных ламп. На этом этапе испульс циркулирует от 30 до 60 раз, увеличивая мощность с порядка наноджоулей до десятков миллиджоулей.

На второй стадии, свет проходит 4 раза через модули предварительного усиления (Preamplifier Module – PAM) с неодимовым стеклом, где мощность импульса повышается с миллиджоулей до 6 джоулей. По словам специалистов лаборатории, конструкция этих модулей представляла собой главную сложность.

Упрощённая диаграмма оптической схемы установки

После предварительного усиления импульс проходит через серию стеклянных усилителей, расположенных на концах лучепроводов. Перед импульсом производится накачка этих усилителей при помощи 7680 ламп, питающихся от массива конденсаторов, которые могут запасать до 422 МДж энергии (117 КВт * ч). При прохождении импульса сквозь усилитель, с него забирается неоторое количество энергии. Импульс проходит через усилитель так же 4 раза, в результате чего, его энергия поднимается с 6 Дж до номинальных 3-4 МДж. Учитывая, что сам импульс длится считанные наносекунды, пиковая ультрафиолетовая мощность, которая доставляется к мишени составляет порядка 500 ТВт.

Большую часть лучепровода занимают пространственные фильтры. Это длинные трубы, которые фокусируют луч на крохотном участке в центре трубы, где расположена маска, которая не пропускает никакого света, кроме точки фокуса.

Пространственный фильтр

Полный путь лазерного луча в системе составляет где-то 1,5 км.

После усиления луч направляется к камере, внутри которой установлена мишень. Камера имеет около 10 м в диаметре. 192 луча проходят через сложную систему зеркал: так как путь от главного резонатора до мишени у всех лучей разный, используется сложная оптическая система, задерживающая свет некоторых лучей таким образом, чтобы они все ударили в мишень одновременно.

Схема камеры с мишенью.

И её вид снаружи

На финальной стадии инфракрасный свет (1053 нм) преобразуется в ультрафиолет (351 нм) в устройстве, которое назвается частотный преобразователь. Он состоит из тонких листов (1см), вырезанных из кристалла дигидрофосфата калия. Когда инфракрасный свет проходит через первую из двух пластин, длина волны уменьшается до 537 нм (зелёный цвет), а при прохождении через вторую пластину — до 351. Это делается для того, чтобы повысить эффективность нагрева мишени. В идеале, эффективность преобразования может достигать 80%, но фактически, энергия, доставляемая до мишени, уменьшается до 1,8 Мдж.

В NIF используется метод непрямого нагрева. Это значит, что сама капсула с топливом находится в металлическом цилиндре. Нагрев цилиндра (он называется «Хольраум», от немецкого Hohlraum — полость) лазерами заставляет металл переиспускать рентгеновские лучи, которые равномерно и симметрично распределяются по мишени.

Схема топливного элемента

Положительный выход

Действительно, 5 декабря 2022 года, на NIF добились положительного выхода энергии. Из поглощённых топливом 2,05 МДж энергии, выделилось 3,15 МДж. Таким образом, показатель Q (отношение полученной энергии к затраченной) составляет 1,53. Энергия была доставлена до мишени при помощи 192 лазеров, суммарная накачка которых (не считая вспомогательных систем) потребовала 400 МДж энергии (почти в 200 раз больше!).

НО

Из 3 МДж лазера где-то 1,5 МДж теряется после конверсии в ультрафиолет, и ещё 15% теряются в цилиндре. Ещё 15% из переиспущенного рентгена поглощаются внешней оболочкой мишени. Только 10-14 КДж энергии поглощается непосредственно топливом.

Потери энергии лазера

С другой стороны, лазеры, которые используются на установке NIF уже достаточно морально устарели (им уже по 30 лет). Учёные из лаборатории утверждают, что с учетом современных технологических достижений, они могут увеличить эффективность лазеров с текущего показател <1% до 20%. Это позволит говорить о 30% эффективности установки. С такой эффективностью, для того, чтобы получить промышленную термоядерную энергию, необходим коэффициэнт Q не менее 50 (лучше 100), то есть примерно 100 МДж с затраченных 2 МДж.

Как можно увеличить эффективность?Делать зажигание чаще. В лучшем случае, один лазер на NIF способен давать примерно 1 импульс в сутки. Фактически же, в настоящее время на установке NIF производится 1 импульс примерно в 2 недели. Для чтого, чтобы данный метод получения энергии стал коммерчески-эффективным, необходимо производить несколько импульсов в секунду! При этом, надо перед каждым импульсом производить замену капсулы с топливом.

Сама по себе энергия, получаемая на NIF в настоящее время непригодна к использованию. Предстоит ещё разработать эффективную схему преобразования этой энергии в полезную — электрическую.

Таким образом, даже если на этом пути не возникнет никаких фундаментальных препятствий, боюсь, по-прежнему, термоядерная энергия — вопрос ближайших десятилетий (как и 70 лет назад).