Министерство энергетики США и Национальное управление по ядерной безопасности объявили о первом в истории достижении положительной по энергозатратам реакции термоядерного синтеза.
Федеральная Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса в Калифорнии воспроизвела так называемый инерционный управляемый термоядерный синтез, предусматривающий облучение крошечной порции изотопов водорода самым большим в мире лазером. Эксперимент прошел 5 декабря на установке National Ignition Facility (NIF). Ученые использовали 192 лазера для подачи 2,05 мегаджоулей энергии на золотой цилиндр размером с горошину, содержащий замороженную таблетку изотопов водорода, дейтерия и трития. Импульс энергии заставил капсулу разрушиться, создавая температуру, наблюдаемую только у звезд и термоядерного оружия, а изотопы водорода слились в гелий, высвобождая дополнительную энергию и создавая каскад термоядерных реакций.
В результате реакции было высвобождено около 3,15 мегаджоулей энергии. Это на 54% больше, чем энергия, которая пошла на реакцию.
Строительство NIF началось в 1997 году. Во время первых экспериментов в 2009 году установка не производила термоядерного синтеза, что стало разочарованием после инвестиций в размере $3,5 млрд из федерального бюджета. В 2014 году ученые, наконец, сообщили о некоторых успехах, но произведенная энергия была мизерной — эквивалент того, что 60-ваттная лампочка потребляет за пять минут. Прогресс в течение следующих нескольких лет был незначительным. В августе 2021 года установка произвела гораздо больший выброс энергии — на 70% больше, чем энергия лазерного излучения. Но попытки воспроизвести этот результат в последующие месяцы не увенчались успехом.
Недавний эксперимент можно квалифицировать как воспламенение — эталонную меру для термоядерных реакций, которая обозначает, сколько энергии попало в цель по сравнению с тем, сколько энергии было высвобождено. Ученые посчитали результат новой вехой в науке о термоядерном синтезе. Однако NIF не разрабатывался с расчетом на коммерческую термоядерную энергию, и многие сомневаются, что лазерный термоядерный синтез станет тем подходом, который в конечном итоге позволит возводить термоядерные электростанции.
Результат все еще далек от фактического прироста энергии, необходимого для производства электроэнергии. Но, по мнению некоторых ученых, эксперименты NIF необходимы на пути к коммерческой термоядерной энергии. Потенциал у открытия большой — реакции термоядерного синтеза не выделяют углерод, не производят долгоживущих радиоактивных отходов, а небольшая емкость с водородным топливом теоретически могла бы питать энергией крупные объекты в течение сотен лет.
Несмотря на научный прорыв NIF, коммерческому объекту с лазерным синтезом потребуются гораздо более быстрые лазеры, способные стрелять со скоростью пулемета, возможно, 10 раз в секунду, чтобы генерация энергии стала непрерывной. При этом NIF все еще потребляет гораздо больше энергии, чем вырабатывается в ходе синтеза.
NIF необходимо было извлечь 300 мегаджоулей энергии из электрической сети, чтобы сгенерировать короткий лазерный импульс в 2,05 мегаджоуля. Другие типы лазеров более эффективны, но эксперты говорят, что жизнеспособная термоядерная электростанция, вероятно, потребует гораздо большего прироста энергии, чем было получено в прорывном эксперименте.
Расположенный в Ливерморе Национальный комплекс зажигания — самая большая и мощная лазерная система в мире. Установка размером со стадион использует мощные лазерные лучи для создания температуры и давления, как в ядрах звезд и планет-гигантов. Объект стоимостью $3,5 млрд был в первую очередь предназначен для совершенствования ядерного оружия — проведения тестов без подземных ядерных взрывов, но также используется для исследований в области термоядерной энергии.
