Эксперименты с использованием лазера OMEGA в Лаборатории лазерной энергетики (LLE) Университета создали условия, способные обеспечить выход термоядерного синтеза, который в пять раз превышает текущий рекордный выход энергии лазерного термоядерного синтеза, если воспроизводятся относительные условия, создаваемые в LLE. и расширены в Национальном центре зажигания (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии.Результаты являются результатом многочисленных экспериментов, проведенных учеными LLE Шоном Реганом, Валерием Гончаровым и сотрудниками, чья статья была опубликована в Physical Review Letters.
Ариджит Бозе, докторант физики в Рочестере, работающий с Риккардо Бетти, профессором инженерии и физики, интерпретировал эти результаты в статье, опубликованной как Rapid Communications в журнале Physical Review E (R).Bose сообщает, что условия в LLE будут производить более 100 килоджоулей (кДж) термоядерной энергии, если их воспроизвести на NIF.
Хотя это может показаться крошечным проблеском в постоянно растущем мировом спросе на энергию, новая работа представляет собой важный шаг вперед в давней национальной исследовательской инициативе по развитию термоядерного синтеза в качестве источника энергии. 100 кДж — это энергия, выделяемая 100-ваттным светом в течение примерно 20 минут, но в эксперименте по термоядерному синтезу в NIF эта энергия будет высвобождена менее чем за миллиардную долю секунды, и этого будет достаточно, чтобы подвести топливо на шаг ближе к энергии. условия воспламенения.
«Мы сжали термоядерное топливо примерно до половины давления, необходимого для его воспламенения. Это результат совместных усилий многих ученых и инженеров LLE», — сказал Риган, руководитель экспериментальной группы LLE.
В случае воспламенения термоядерное топливо высвободит огромное количество энергии синтеза, намного превышающее энергию, потребляемую топливом.«В лазерном синтезе зажженная цель похожа на миниатюрную звезду размером примерно в одну десятую миллиметра, которая производит энергию, эквивалентную нескольким галлонам бензина, за долю миллиардной доли секунды. Мы еще не достигли этого, но мы добиваются прогресса », — сказала Бетти, профессор Роберта Л. МакКрори из Лаборатории лазерной энергетики.
Что касается близости к условиям, необходимым для воспламенения топлива, в двух недавних документах LLE сообщается, что эксперименты OMEGA соответствуют текущему рекорду NIF при экстраполяции на энергии NIF. Зажигание цели — основная цель усилий по лазерному синтезу в Соединенных Штатах.В рамках своей работы исследователи тщательно нацелили 60 лазерных лучей LLE, чтобы поразить гранулу топлива миллиметрового размера — подход, известный как метод прямого привода термоядерного синтеза с инерционным удержанием (ICF).Результаты показывают, что подход с прямым приводом, используемый LLE, где используется самый распространенный лазер в мире (с точки зрения количества экспериментов, публикаций и разнообразия пользователей), является многообещающим путем к синтезу и жизнеспособной альтернативой другим методам. , в том числе и в НИФ.
Там исследователи работают над синтезом с использованием 192 лазерных лучей в подходе, известном как непрямой привод, при котором лазерный свет сначала преобразуется в рентгеновские лучи в золотом корпусе, называемом хольраум. Еще не достигнув воспламенения, ученые из LLNL и коллеги из сообщества ICF добились значительного прогресса в понимании физики и разработке инновационных подходов к синтезу с косвенным приводом.«Мы показали, что метод прямого привода не уступает другим работам, проводимым в продвижении исследований ядерного синтеза», — сказал Боз.
«Работа Arijit очень тщательная и убедительная. Хотя предстоит еще много работы, этот результат свидетельствует о значительном прогрессе в подходе с прямым приводом», — говорит Бетти.
Исследования в LLE и NIF основаны на инерционном ограничении, при котором реакции ядерного синтеза происходят за счет нагрева и сжатия — или взрыва — мишени, содержащей топливо из дейтерия и трития (DT). Цель состоит в том, чтобы атомы столкнулись с достаточной энергией, чтобы ядра слились с образованием ядра гелия и свободного нейтрона, высвобождая при этом значительную энергию.
В обоих методах, которые изучаются в LLE и NIF, основной проблемой является создание самоподдерживающегося горения, которое воспламенило бы все топливо в снарядах-мишенях. В результате важно, чтобы при первоначальном образовании ядер гелия выделялось достаточно тепла для поддержания процесса. Ядра гелия называются альфа-частицами, а выделяемое тепло — альфа-нагревом.
Э. Майкл Кэмпбелл, заместитель директора LLE и член исследовательской группы, сказал, что результаты стали возможными благодаря ряду улучшений в подходе прямого метода.Один из них предполагал наведение 60 лазерных лучей, которые теперь поражают цель более равномерно.«Это как сжимать воздушный шар руками; всегда есть части, которые выскакивают там, где нет ваших рук», — сказал Кэмпбелл. «Если бы можно было выдавить воздушный шар из любого места на поверхности, внутри было бы намного больше давления. И это то, что происходит, когда лазеры поражают цель более симметрично».
«Если мы сможем улучшить единообразие того, как мы сжимаем наши цели, мы, вероятно, очень приблизимся к условиям, которые можно экстраполировать на воспламенение на NIF. Это то, на чем мы сосредоточимся в ближайшем будущем», — говорит Гончаров. директор теоретического отдела LLE.В LLE были внесены два других улучшения: качество целевой оболочки было улучшено, чтобы облегчить ее сжатие, и улучшилась диагностика для измерения того, что происходит внутри оболочки.
Теперь исследователи могут делать рентгеновские снимки взрыва цели с временем кадра 40 триллионных долей секунды, что дает им информацию о том, как более точно настроить лазеры и понять физику.«Мы показали преимущества лазера с прямым приводом в процессе ядерного синтеза», — сказал Кэмпбелл. «И это должно привести к дополнительным исследовательским возможностям, а также к постоянному прогрессу в этой области».
Боз говорит, что следующим шагом будет разработка теоретических оценок того, что происходит в снаряде-мишени при попадании в нее лазера. Эта информация поможет ученым сделать дальнейшие улучшения.