Нарешті реакція синтезу генерує більше енергії, ніж поглинає паливо

Вперше в реакції термоядерного синтезу було досягнуто рекордного виходу енергії в 1,3 мегаджоуля - і вперше вона перевищила енергію, що поглинається паливом, що використовується для її запуску.

Хоча попереду ще дещо, результат є значним поліпшенням у порівнянні з попередніми врожаями: у вісім разів більше, ніж в експериментах, проведених всього за кілька місяців до цього, і у 25 разів більше, ніж в експериментах, проведених у 2018 році. Це величезне досягнення.

Фізики Національного центру запалювання Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса представлять доповідь на експертну оцінку.

«Цей результат є історичним кроком уперед у дослідженнях термоядерного синтезу з інерційним утриманням, відкриваючи принципово новий режим для досліджень та просування наших найважливіших завдань національної безпеки. Він також є свідченням новаторства, винахідливості, прихильності та стійкості цієї команди та багато дослідників у цій галузі протягом десятиліть завзято ставили собі за мету», - сказав Кім Буділ, директор Ліверморської національної лабораторії Лоуренса.

«Для мене це демонструє одну з найважливіших ролей національних лабораторій – нашу невпинну прихильність до вирішення найбільших і найважливіших наукових завдань та пошуку рішень там, де перешкоди можуть відмовити інших».

Термоядерний синтез з інерційним утриманням передбачає створення чогось на кшталт крихітної зірки. Все починається з капсули з пальним, що складається з дейтерію та тритію - більш важких ізотопів водню. Ця паливна капсула поміщається в порожню золоту камеру розміром з гумку для олівців, яка називається хольраумом.

Потім 192 потужні лазерні промені потрапляють у хольраум, де вони перетворюються на рентгенівські промені. Ці рентгенівські промені підривають паливну капсулу, нагріваючи й стискаючи її до умов, порівнянних з умовами в центрі зірки - температура перевищує 100 мільйонів градусів за Цельсієм (180 мільйонів за Фаренгейтом) і тиск перевищує 100 мільярдів атмосфер Землі - перетворюючи паливо на капсулу.

І так само як водень перетворюється на більш важкі елементи в серці зірки головної послідовності, те саме роблять дейтерій і тритій у паливній капсулі. Весь процес займає лише кілька мільярдних часток секунди. Мета полягає в тому, щоб домогтися спалаху - точки, в якій енергія, що генерується в процесі термоядерного синтезу, перевищує загальну енергію, що підводиться.

Експеримент, проведений 8 серпня, не дотяг до цієї позначки; вхідна потужність лазерів становила 1,9 мегаджоуля. Але це все ще неймовірно цікаво, тому що, згідно з вимірами команди, паливна капсула поглинала вп'ятеро менше енергії, ніж генерувалась у процесі термоядерного синтезу.

Це, за словами команди, є результатом копіткої роботи з уточнення експерименту, включаючи дизайн хольрауму та капсули, покращену точність лазера, нові діагностичні інструменти та зміни конструкції для збільшення швидкості вибуху капсули, яка передає більше енергія до гарячої точки плазми, в якій відбувається термоядерний синтез.

"Отримання експериментального доступу до термоядерної реакції в лабораторії - це кульмінація десятиліть наукової та технічної роботи, що тривала майже 50 років", - сказав Томас Мейсон, директор Лос-Аламоської національної лабораторії.

«Це дозволяє проводити експерименти, які перевірять теорію та моделювання в режимі високої щільності енергії більш строго, ніж будь-коли, і забезпечать фундаментальні досягнення в прикладній науці та техніці».

Команда планує провести додаткові експерименти, щоб побачити, чи зможуть вони відтворити свій результат, та вивчити процес докладніше. Результат також відкриває нові можливості експериментальних досліджень.

Фізики також сподіваються з'ясувати, як ще більше збільшити енергоефективність. Коли лазерне світло перетворюється на рентгенівські промені всередині хольрауму, втрачається багато енергії; натомість більшість лазерного випромінювання йде нагрівання стін хольраума. Розв'язання цієї проблеми наблизить нас ще на один значний крок до термоядерної енергії.

Тим часом дослідники надзвичайно схвильовані.

«Досягнення займання в лабораторії залишається одним із грандіозних наукових завдань нашої епохи, і цей результат є важливим кроком на шляху до досягнення цієї мети», - сказав фізик Йохан Френьє з Центру вивчення плазми та термоядерного синтезу Массачусетського технологічного інституту.

Це також дозволяє досліджувати принципово новий режим, до якого надзвичайно важко отримати доступ експериментально, поглиблюючи наше розуміння процесів запалення та горіння термоядерного синтезу, що має вирішальне значення для перевірки та покращення наших інструментів моделювання на підтримку управління запасами.

«Крім того, результат є історичним, оскільки він є кульмінацією багатьох десятиліть наполегливої ​​праці, інновацій та винахідливості, великомасштабної командної роботи.

Команда представила свої результати на 63 щорічних зборах Відділення фізики плазми APS.