Лазеры зажгли мини-звезду на Земле, заложив основу для источника чистой энергии будущего: исторический прорыв в исследованиях термоядерного синтеза с инерционным удержанием в Национальном центре зажигания в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса и решающий момент для фотоники!
Одно из самых многообещающих применений лазерной технологии, реализация термоядерного синтеза, управляемого лазером, стало историческим прорывом. Как сообщила Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса (LLNL, Калифорния, США) в своем пресс-релизе от 13 декабря 2022 г., американские ученые из Национального центра воспламенения (NIF) смогли рассчитать энергию синтеза 3,15 мегаджоулей (МДж) из водородной изотопный выброс дейтерия и гранулы с тритием. Это соответствует 154 процентам энергии в 2,05 МДж, потребляемой лазерным импульсом, вызвавшим взрыв. Этот чистый прирост энергии представляет собой первый долгожданный международный прорыв в исследованиях термоядерного синтеза. Эти последние результаты исследований и разработок представляют собой беспрецедентный импульс для миссии Министерства энергетики США по физике высокой плотности энергии. Они создают физическую основу для производства эффективного источника энергии, сравнимого с солнцем, который представляет собой полезное дополнение к возобновляемым источникам энергии в долгосрочной перспективе.
«Принесение энергии звезд на Землю знаменует собой поворотный момент для человечества, который делает перспективу чистого, обильного, безопасного и надежного источника энергии ощутимой», — сказал профессор Константин Хефнер, директор Института лазерных технологий Фраунгофера ILT в Аахене. , который сам много лет работал руководителем программы «Передовые фотонные технологии» в НИФ до 2019 года. «Этот прорыв является кульминацией 60-летнего научного пути, направленного на решение одной из самых сложных инженерных задач, стоящих перед человечеством».
При синтезе водорода в гелий высвобождается огромное количество энергии.
В новой вехе в NIF огромные импульсные лазеры точно направляют энергию более 2 миллионов джоулей ультрафиолетового света в покрытый золотом цилиндр длиной ~ 1 см, который эксперты называют «полостью». Рентгеновские лучи генерируются там за счет взаимодействия лазерных лучей с внутренними стенками. Затем они равномерно распределяются по полости, как в горячей духовке. Сфера размером около 2 миллиметров, содержащая смесь изотопов водорода дейтерия и трития, левитирует в центре полости, поглощая распространяющееся рентгеновское излучение и быстро нагреваясь. Внешняя оболочка так называемой пули сдувается, и возникающее давление имплозии сжимает водородное топливо до плотности, в сотни раз превышающей плотность твердого вещества, образуя горячую точку в ее центре с температурой, превышающей 120 миллионов градусов по Цельсию. Это, в свою очередь, вызывает синтез водорода в гелий. При каждой реакции синтеза двух легких ядер выделяется 17,6 МэВ в виде нейтронов и альфа-частиц за реакцию. Альфа-частицы немедленно поглощаются плазмой, нагревая ее еще больше и вызывая самоподдерживающуюся волну горения. Менее чем через 100 пикосекунд высокая температура и сильное давление заставляют оставшееся топливо расширяться, а параметры падают ниже порога для синтеза, известного как критерий Лоусона.
В текущем эксперименте для сжатия и нагрева мишени использовалась энергия лазера мощностью 2,05 МДж. Из-за неэффективности процесса имплозии только около 1 процента энергии доставляется в горячую точку. Тепловой пробой, вызванный реакцией синтеза, зажег плазму, выработав ~ 3,15 МДж энергии с мгновенной мощностью около 52 500 000 000 000 000 ватт, что меньше волоса в диаметре. Решающий прогресс по сравнению с предыдущими результатами стал возможен благодаря данным предыдущих экспериментов и лучшему пониманию физики термоядерного синтеза, что затем привело к усовершенствованию конструкции резонатора, структуры топливных таблеток и модификациям лазера и лазерного импульса.
Термоядерная энергия: чистый и практически неиссякаемый источник энергии будущего
Чтобы достичь глобальной климатической цели по ограничению глобального потепления до уровня менее 2 градусов по Цельсию, Германия должна к 2045 году стать нейтральной по выбросам парниковых газов. Это должно быть достигнуто с помощью масштабного и быстрого расширения использования возобновляемых источников энергии с почти 50 процентов в настоящее время до 100 процентов в производстве электроэнергии и полного отказа от ископаемых видов топлива во всех секторах конечного потребления за счет повышения энергоэффективности и использования всех видов энергии. возобновляемые источники энергии. Это постоянно снижает зависимость от импорта ископаемого топлива. В то же время водород, получаемый из возобновляемых ресурсов, необходим для хранения и транспортировки энергии с объектов с высокоэффективным использованием солнечной и ветровой энергии. "Это ожидаемо, что глобальный спрос на электроэнергию резко возрастет в ближайшие десятилетия. С одной стороны, электроэнергия становится наиболее важной первичной энергией, потому что она все чаще используется для выработки тепла в зданиях и промышленности, а также в секторе мобильности и преобразуется в водород и его производные», — говорит профессор Ханс-Мартин. Хеннинг, руководитель Института систем солнечной энергии Фраунгофера ISE и председатель Немецкого консультативного совета по вопросам климата. «С другой стороны, электричество требуется в гораздо больших количествах, чем сегодня, для опреснения воды, а в долгосрочной перспективе, возможно, и для удаления углекислого газа из атмосферы». поскольку он все чаще используется для выработки тепла в зданиях и промышленности, а также в секторе мобильности и преобразуется в водород и его производные», — говорит профессор Ханс-Мартин Хеннинг, глава Института систем солнечной энергии Фраунгофера ISE и председатель Консультативного совета правительства Германии по вопросам климата. «С другой стороны, электричество требуется в гораздо больших количествах, чем сегодня, для опреснения воды, а в долгосрочной перспективе, возможно, и для удаления углекислого газа из атмосферы». поскольку он все чаще используется для выработки тепла в зданиях и промышленности, а также в секторе мобильности и преобразуется в водород и его производные», — говорит профессор Ханс-Мартин Хеннинг, глава Института систем солнечной энергии Фраунгофера ISE и председатель Консультативного совета правительства Германии по вопросам климата. «С другой стороны, электричество требуется в гораздо больших количествах, чем сегодня, для опреснения воды, а в долгосрочной перспективе, возможно, и для удаления углекислого газа из атмосферы».
Производство энергии путем термоядерного синтеза может открыть дополнительный, почти неисчерпаемый, погодонезависимый и, прежде всего, безэмиссионный источник энергии. Однако управляемый синтез для выработки энергии технически чрезвычайно сложен; решение оставшихся проблем и создание первого демонстрационного термоядерного реактора явно займет более десяти лет. Следовательно, это не будет способствовать ускоренному сокращению выбросов парниковых газов в краткосрочной и среднесрочной перспективе. Профессор Хефнер, уполномоченный по исследованиям в области термоядерного синтеза в Fraunhofer-Gesellschaft, добавляет: «Ядерный синтез — это инвестиции с высоким риском и высокой отдачей, а в случае успеха — Святой Грааль для достижения энергетического суверенитета и удовлетворения мировых энергетических потребностей в долгосрочной перспективе. срок. Настало время отправиться в путь, чтобы принести термоядерную энергию в сеть, путешествие, которое займет несколько десятилетий. При условии, что мир готов делать и поддерживать инвестиции».
Настоятельная необходимость продемонстрировать, а затем коммерциализировать инерционную термоядерную энергию (ИФЭ) подкрепляется быстро растущим интересом частного сектора к развитию термоядерной энергии. В марте 2022 года Управление по научно-технической политике Белого дома США объединило промышленность и академические круги, чтобы объявить о смелом десятилетнем видении коммерческого развития термоядерной энергетики.
Все большее число стартапов по всему миру обращаются к аспектам развития технологий, которые все еще необходимы. В настоящее время существует более 30 компаний, работающих в области магнитного синтеза, английской «Магнитной термоядерной энергии» (MCF) и магнито-инерциальных технологий, и 6 компаний в области IFE. По данным Fusion Industry Association, общий объем инвестиций увеличился с 1,8 млрд долларов за последние два года до более чем 4,7 млрд долларов на сегодняшний день. Четыре стартапа базируются в Германии.
Изменения в лазерных технологиях
Последний эксперимент IFE представляет собой крупное достижение науки и свидетельствует о универсальности и точности лазеров. На объекте NIF стоимостью 3,5 миллиарда долларов находится самая мощная в мире лазерная система и самая большая в мире оптическая система, которая включает более 7500 метров специализированной оптики, которая генерирует и направляет лазерную энергию на цель. Система NIF обычно запускается один раз в день; демонстратор IFE или силовая установка должны были бы стрелять 10-20 раз в секунду с высокой эффективностью. Все системы впрыска топливных мишеней, системы утилизации отходов и лазерные концепции должны демонстрировать эффективность, надежность, ремонтопригодность и работоспособность; Архитектуры и технологии должны превратиться в устройства, подходящие для термоядерных электростанций. при одновременном снижении производственных и эксплуатационных расходов, а также обеспечении безопасности и создании цепочек поставок. Необходимое снижение затрат, которое часто составляет несколько порядков, требует инновационных и новаторских решений в лазерной и оптической промышленности.
«Давайте предположим, что в 2050 году нам нужно будет вводить в эксплуатацию несколько термоядерных электростанций в год, чтобы IFE вносил свой вклад в наше электроснабжение. Это требует производства многих сотен мощных лазеров размером с морской контейнер», — говорит профессор Хефнер. «Мы должны полностью переосмыслить производство лазеров и оптики и построить автоматизированные производственные линии, как в автомобильной промышленности, только с точностью до нескольких оптических длин волн».
Усилительные среды, оптика, покрытия, кристаллы — все это требует массового производства по низкой цене. И на пути к термоядерной энергетике предстоит решить множество других сложных проблем. Однако вызовы подстегивают инновации, а инновации привлекают новые решения на другие рынки, поэтому инвестиции быстро окупаются. Профессор Хефнер резюмирует: «Термоядерная энергетика — это начинание с высокими ставками, и поэтому это хорошая стратегия для начала работы и использования наиболее многообещающих подходов. Гонка продолжается».
