Учёные из Национальной ядерной лаборатории Сандия в США (Sandia National Laboratories) сделали один из трёх важных шагов на пути получения энергии при помощи управляемого термоядерного синтеза. Таким образом они попытались обуздать процессы, происходящие внутри Солнца и прочих звёзд.
Термоядерные реакторы, в отличие от существующих ядерных реакторов, используют с целью получения энергии не реакцию распада, а реакцию слияния более лёгких атомных ядер в более тяжёлые. В отличие от термоядерных взрывных устройств синтез носит управляемый характер.
Для этого реакторы нагревают и сжимают плазму — ионизированный газ. Та в свою очередь сжимает водородное топливо (изотопы водорода — дейтерий и тритий). Невероятное давление заставляет одинаково заряженные ядра преодолеть естественные силы кулоновского отталкивания и приводит к слиянию ядер атомов. В результате образуются ядра гелия, нейтроны, а также высвобождается огромное количество энергии.
Пока процесс не осуществлён экспериментально. Однако учёные стремятся к этому, так как предварительные теоретические расчёты показывают, что, затратив большое количество энергии на входе, человек может получить ещё большее количество энергии на выходе. То есть в ходе управляемого термоядерного синтеза может быть получен положительный энергетический баланс.
Если это удастся подтвердить экспериментально, то это будет иметь "экстраординарные последствия для энергетики и обороны", указывается в пресс-релизе лаборатории Сандия, специалисты которой сделали важный шаг на пути создания соответствующего реактора.
В качестве топлива для реактора учёные используют изотопы водорода, так как атомные ядра, имеющие небольшой электрический заряд, проще свести на нужное расстояние.
Для того чтобы произошло слияние ядер, также необходимы огромные температуры (порядка 100 миллионов градусов). Светилу проще, в недрах звезды такой разогрев — не проблема, а человеку приходится тратить огромное количество энергии для создания и поддержания необходимых условий.
Специалисты лаборатории Сандия пробуют начать реакцию термоядерного синтеза, разогревая изотопы водорода в цилиндре из нитей бериллия диаметром всего 7 миллиметров, а затем очень быстро сжимая оболочку при помощи магнитных полей. Такой процесс называется термоядерным синтезом с инерционным удержанием плазмы.
Цилиндр из параллельных нитей, известных как лайнеры, подключён к огромному электрогенератору лаборатории (так называемой Z-машине), который способен выдавать 26 миллионов ампер в виде импульса, длящегося всего несколько миллисекунд и меньше.
Колоссальный ток, проходя через проводки цилиндра, испаряет их, превращая в завесу из плазмы, и создаёт магнитное поле. Оно заставляет превратившиеся в плазму стенки "контейнера" прогнуться внутрь (получается взрыв, направленный внутрь, в центр системы). В результате водородное топливо мгновенно сжимается и разогревается до огромных температур.
О том, что процесс работает, учёные знали давно. Однако им не удавалось разогреть плазму до необходимых температур. Чтобы добиться положительного энергетического баланса, им необходимо было доработать систему. В связи с этим руководителем группы Стивеном Слатцем (Steven Slutz) в 2010 году было предложено несколько возможных решений проблемы.
Он и его коллеги провели компьютерное моделирование происходящих процессов. В своей статье, опубликованной в журнале Physics of Plasmas, учёные предложили усовершенствования, которые бы позволили получать энергию.
Во-первых, необходимо укоротить импульс воздействия Z-машины (до 100 наносекунд), чтобы увеличить скорость направленного внутрь взрыва. Кроме того, нужно заранее разогреть водородное топливо внутри лайнера при помощи лазерного импульса.
И, наконец, на обоих концах цилиндра необходимо расположить две электрических обмотки. Они будут создавать магнитное поле, которое окутает весь контейнер словно одеялом. В результате заряженные частицы (электроны и ядра гелия) не будут покидать "ловушку", а значит, не будут охлаждать плазму. Температура будет сохраняться на должном уровне.
Позднее учёные также показали, что под воздействием 60 миллионов ампер выход энергии может в тысячу раз превышать ту, что была затрачена изначально. А это говорит уже не просто о достижении положительного энергетического баланса, но и о коммерческом использовании технологии.
Теперь Райан Макбрайд (Ryan McBride) возглавляет группу, и именно он со своими подопечным проверит, верными ли были предположения Слатца и его коллег.
Первое, что сделали учёные, опробовали быстрое сжатие лайнеров. Здесь был важен такой параметр, как толщина "стенки" цилиндра (по сути, диаметр бериллиевых проводков). Чем она меньше, тем сильнее его разгонит магнитное поле. Однако не менее важно поведение материала, из которого изготовлены лайнеры. Ведь если слишком тонкие "стенки" разрушатся раньше времени, сжатия не произойдёт. Если же толщина будет слишком большой, то не будет необходимого "разгона". Теоретические расчёты показали, какая толщина будет "золотой серединой".
Команда Макбрайда изучила поведение лайнеров заданной толщины. Для этого учёным пришлось создать особую "видеокамеру", которая, используя рентгеновское излучение, отсняла весь процесс направленного внутрь взрыва.
"Всё сработало, как мы и предсказывали", — рассказывает Райан. Толщина лайнеров была оптимальной, "цилиндр" в ходе колоссального сжатия сохранил нужную форму. Таким образом, можно считать концепцию намагниченного инерционного синтеза (MagLIF или Magnetized Liner Inertial Fusion) реализуемой.
Если бы лайнеры слишком сильно деформировались, их невозможно было бы использовать для запуска реакции синтеза, поясняет ИТАР-ТАСС.
Теперь учёные планируют протестировать два других усовершенствования – предварительный лазерный нагрев и магнитное "одеяло" (по планам в декабре 2012 года). Кроме того, разработчики "добавят дейтериевое топливо при проведении экспериментов, намеченных на 2013 год".
Отчёт об уже проделанной работе принят к публикации в научном вестнике Physical Review Letters.
Добавим, что в мире ещё как минимум два гиганта пытаются обуздать энергию управляемого "термояда". Речь о реакторе ITER во Франции (будет закончен в 2019-2020 годах) и Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций (NIF) в Калифорнии (работает уже несколько лет). Оба проекта вложили в исследования миллиарды долларов США.
Реактор ITER будет запускать термоядерный синтез так же, как и в Сандии, сжимая плазму при помощи магнитного поля, правда, разогревать вещество будут направленные пучки частиц и радиоволн. Специалисты NIF в свою очередь пробуют "поджечь" топливо при помощи рекордного лазерного импульса.
