Впервые реакция термоядерного синтеза произвела больше энергии, чем поглотило топливо

В поисках термоядерной энергии пройден важный рубеж. Впервые термоядерная реакция достигла рекордного выхода энергии в 1,3 мегаджоуля - и впервые превысила энергию, поглощенную топливом, использованным для ее запуска.

Хотя до этого еще далеко, результат представляет собой значительное улучшение по сравнению с предыдущими выходами: в восемь раз больше, чем в экспериментах, проведенных всего за несколько месяцев до этого, и в 25 раз больше, чем в экспериментах, проведенных в 2018 году. Это огромное достижение.

Физики из Национального центра зажигания при Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса представят документ на рецензирование.

"Этот результат - исторический шаг вперед для исследований в области инерциального термоядерного синтеза, открывающий принципиально новый режим для исследований и продвижения наших важнейших миссий национальной безопасности. Он также является свидетельством инноваций, изобретательности, приверженности и упорства этой команды и многих исследователей в этой области на протяжении десятилетий, которые упорно стремились к этой цели", - сказал Ким Будил, директор Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса.

"Для меня это демонстрирует одну из самых важных ролей национальных лабораторий - наше неустанное стремление решать самые большие и важные научные задачи и находить решения там, где других могут оттолкнуть препятствия".

Инерционный термоядерный синтез предполагает создание чего-то похожего на крошечную звезду. Все начинается с капсулы с топливом, состоящей из дейтерия и трития - более тяжелых изотопов водорода. Эта топливная капсула помещается в полую золотую камеру размером с карандашный ластик, называемую hohlraum.

Затем 192 мощных лазерных луча направляются в hohlraum, где они преобразуются в рентгеновские лучи. Эти рентгеновские лучи имплодируют топливную капсулу, нагревая и сжимая ее до условий, сравнимых с условиями в центре звезды - температуры свыше 100 миллионов градусов Цельсия (180 миллионов по Фаренгейту) и давления свыше 100 миллиардов земных атмосфер - превращая топливную капсулу в крошечный сгусток плазмы.

И как водород превращается в более тяжелые элементы в сердце звезды главной последовательности, так и дейтерий и тритий в топливной капсуле. Весь процесс происходит всего за несколько миллиардных долей секунды. Цель состоит в том, чтобы достичь воспламенения - точки, в которой энергия, генерируемая в процессе синтеза, превышает общую энергию, вводимую в реакцию.

Эксперимент, проведенный 8 августа, не достиг этой отметки; энергия, полученная от лазеров, составила 1,9 мегаджоулей. Но это все равно чрезвычайно интересно, потому что, согласно измерениям команды, топливная капсула поглотила в пять раз меньше энергии, чем выделила в процессе синтеза.

Это, по словам команды, результат кропотливой работы по усовершенствованию эксперимента, включая конструкцию хольраума и капсулы, улучшение точности лазера, новые диагностические инструменты и изменения в конструкции для увеличения скорости имплозии капсулы, которая передает больше энергии в плазменную горячую точку, в которой происходит синтез.

"Получение экспериментального доступа к термоядерному горению в лаборатории является кульминацией десятилетий научной и технологической работы, длившейся почти 50 лет", - сказал Томас Мейсон, директор Лос-Аламосской национальной лаборатории.

"Это позволяет провести эксперименты, которые проверят теорию и моделирование в режиме высокой плотности энергии более строго, чем когда-либо прежде, и позволят добиться фундаментальных достижений в прикладной науке и инженерии".

Команда планирует провести последующие эксперименты, чтобы увидеть, смогут ли они повторить свой результат, и изучить процесс более детально. Полученный результат также открывает новые пути для экспериментальных исследований.

Физики также надеются выяснить, как еще больше повысить эффективность использования энергии. Много энергии теряется, когда лазерное излучение преобразуется в рентгеновские лучи внутри гофраума; большая часть лазерного излучения вместо этого идет на нагрев стенок гофраума. Решение этой проблемы сделает нас еще на один значительный шаг ближе к термоядерной энергии.

Тем временем исследователи испытывают огромное волнение.

"Достижение зажигания в лаборатории остается одной из научных грандиозных задач нашей эпохи, и этот результат - важный шаг вперед на пути к достижению этой цели", - сказал физик Йохан Френье из Центра плазменной науки и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института.

Он также позволяет исследовать принципиально новый режим, к которому чрезвычайно трудно получить доступ экспериментально, углубляя наше понимание процессов зажигания и горения термоядерного синтеза, что крайне важно для проверки и совершенствования наших инструментов моделирования в поддержку управления запасами".

"Кроме того, полученный результат является историческим, поскольку он представляет собой кульминацию многих десятилетий напряженной работы, инноваций и изобретательности, командной работы в больших масштабах и неустанного стремления к конечной цели".

Команда представила свои результаты на 63-й ежегодной встрече Отделения физики плазмы APS.