Новая оптика и фотоника

Эдвин Картлидж

Лазерная схема «аутсайдера» может лучше всего подходить для обеспечения конкурентоспособной термоядерной энергии.

Лазер на фториде аргона Electra Военно-морской исследовательской лаборатории США. [Дж. Стеффен, ВМС США]

5 декабря 2022 года физики, работающие на Национальной установке зажигания (NIF) Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL), США, зафиксировали огромный всплеск нейтронов в своих экспериментальных детекторах. NIF — крупнейший в мире лазер, который генерирует реакции термоядерного синтеза, быстро взрывая гранулы изотопов водорода с использованием исключительно интенсивных и энергичных вспышек света. Поток нейтронов сигнализировал о том, что исследователям после многих лет попыток наконец удалось добиться «возгорания» — производства примерно в 1,5 раза больше энергии, чем присутствовало в лазерном импульсе.

Это достижение привело к новому оптимизму в отношении того, что термоядерный синтез может дать наилучшие энергетические решения — обильный, экологически чистый источник электроэнергии с базовой нагрузкой, который не создает долгоживущих радиоактивных отходов. Но хотя ученые приветствовали результат, некоторые не были убеждены, что NIF предоставит технологию для работающей термоядерной электростанции.

Лазеры НИФ освещают только полюса цели, позволяя им проникать в отверстия на каждом конце хольраума (вверху). [ЛЛНЛ]

НИФ опирается на термоядерный синтез с «непрямым приводом», который включает в себя дробление топливных таблеток с помощью рентгеновских лучей, производимых путем направления 192 лазерных лучей установки на золотую банку, или «хольраум», окружающую гранулу. У этого подхода есть свои преимущества, в частности то, что рентгеновские лучи помогают сделать взрыв более плавным. Но многие ученые утверждают, что огромное количество энергии, теряемой при генерации рентгеновских лучей (около трех четвертей от общего количества), делает эту схему неудачной для использования термоядерного синтеза на коммерческой электростанции.

Вместо этого эти эксперты выступают за концептуально более простой «прямой привод». Это предполагает наведение лазерных лучей на саму топливную капсулу, что в принципе передает гораздо больше энергии лазера ядерному топливу, одновременно упрощая цель. Нет необходимости в хольрауме, и капсулы потенциально могут быть изготовлены с использованием более дешевых технологий и материалов.

Исследования в этой области ограничивались небольшими мишенями, дающими низкие выходы термоядерного синтеза. Но ученые все более оптимистичны в отношении того, что прямой привод можно заставить работать, отчасти из-за растущего интереса к термоядерной энергии среди правительств и особенно в частном секторе. Кроме того, как отмечает Риккардо Бетти из Университета Рочестера, США, в последние годы лазерные технологии добились огромных успехов, особенно в области способности работать с очень высокой пропускной способностью. Эта технология, по его мнению, «может изменить правила игры» в сфере термоядерной энергетики.

Ученые все более оптимистичны в отношении возможности заставить работать прямой привод, отчасти из-за растущего интереса к термоядерной энергии среди правительств и особенно в частном секторе.

Использование энергии термоядерного синтеза предполагает удержание плазмы легких ядер — обычно дейтерия и трития — при таких высоких температурах, что ядра преодолевают взаимное отталкивание и сливаются, выделяя энергию. Если плазму можно поддерживать при достаточно высокой плотности достаточно долго, то энергичные продукты реакции (альфа-частицы) выделяют достаточно тепла, чтобы вызвать самоподдерживающееся горение, вызывающее воспламенение и многократно умножающее выходную мощность.

Для достижения этой цели физики использовали две разные стратегии. Одна из них пытается максимизировать время удержания, удерживая довольно разреженную плазму внутри большой камеры с помощью мощных магнитов. Другой вместо этого на мгновение создает исключительно высокую плотность.

Именно для реализации этого второго подхода, известного как термоядерный синтез с инерционным ограничением, используются мощные лазеры высокой энергии. Идея состоит в том, чтобы обстрелять крошечную топливную таблетку лазерными импульсами со всех направлений так, чтобы внешний слой гранулы оторвался, а сохранение импульса затем заставило остальную часть попасть внутрь на огромных скоростях (свет сам по себе не обеспечивает достаточного радиационного давления).

[Увеличить графику] [Иллюстрация Фила Сондерса]