Рентгенівські промені додають до лазера методом інерційного утримання водню
Нещодавно вчені з національних лабораторій Sandia (США) повідомили, що досягли термоядерного синтезу, по суті, детонації крихітної водневої бомби. Вони використали рентгенівський вибух для стиснення водневої капсули до умов, подібних до умов у центрі Сонця, у варіанті того, що відоме як метод інерційного утримання. Ці невеликі контрольовані вибухи не були б небезпечними і могли б стати альтернативою для виробництва електроенергії за рахунок синтезу, джерела живлення зірок. При синтезі атоми водню об’єднуються, утворюючи гелій, виробляючи велику кількість енергії в реакції.
"Це перше спостереження за злиттям з пульсуючим джерелом", - сказав Рамон Дж. Ліпер, директор департаменту прикладної фізики в Сандії (Альбукерке, штат Нью-Мексико), який представив результати на засіданні Американського фізичного товариства у Філадельфії. .
Більшість експериментів для досягнення контрольованого плавлення використовували магнітні поля для стиснення водню [магнітне утримання], коли він досягає температури, достатньо високої для безперервного плавлення. Але підтримка надзвичайно гарячої та щільної водневої хмари - у формі плазми - є більш складною, ніж вважали вчені, коли вони починали експерименти термоядерного синтезу 50 років тому. Навіть прихильники ідеї кажуть, що перед тим, як отримати комерційну електростанцію, знадобляться десятиліття досліджень і дорогі реактори, заявляють представники Сандії. Однак попереду для них також дуже довгий шлях.
Підхід Сандії можна порівняти із спалюванням вугілля в печі. Експерименти Сандії могли б придумати щось на зразок двигуна внутрішнього згоряння, в якому потужність генерується в результаті серії вибухів. Цей метод, напевно, простіший, оскільки усуває необхідність обмежувати гарячий водень, але проектування машини, яка може детонаціювати контрольовані термоядерні вибухи швидко і послідовно - і переносити їх неушкодженими - це інженерна проблема, з якою вчені ще не вирішили.
У попередні роки дослідники з Національної лабораторії ім. Лоуренса Лівермора (США) спричинили вибухи термоядерного синтезу, сфокусувавши високоінтенсивні лазерні промені на капсулах водню, і мають намір продовжити цей напрямок роботи на новому Національному установці запалювання. Інші вчені намагаються змусити водень вибухнути пучками важких елементів, таких як ксенон або цезій.
Пристрій Сандії, прискорювач Z, було побудовано для вивчення вибухів ядерної зброї без проведення ядерних випробувань. У середині 90-х цей прискорювач міг виробляти 20 трильйонів ват рентгенівських променів, але це далеко не така кількість, яка необхідна для індукції синтезу, і навіть лабораторія думала вимкнути пристрій. Вдосконалення помножили пік потужності рентгенівського випромінювання на 10, досягнувши понад 200 мільярдів ват, і дросель почали вважати кандидатом на практичний синтез: "Ми в гонці", - говорить Джефф Квінтенц. В експерименті протягом кількох мільярдних секунд потужність рентгенівських променів, випромінюваних на водневу капсулу, значно перевищує потужність усіх електростанцій у світі.
Більша частина машини, діаметром понад 30 метрів, яка схожа на величезний колесо колеса, зберігає велику кількість електричної енергії, і коли вона швидко вивільняється, ланцюг подій, що ведуть до синтезу, запускається. У центрі машини 360 вертикальних вольфрамових кабелів, які утворюють циліндричну оболонку діаметром 3,8 сантиметра. Усередині корпусу знаходиться пластиковий пінопластовий циліндр, а всередині крихітна пластикова капсула - біла - з дейтерієм, важким ізотопом водню.
Імпульс струму 20 мільйонів ампер випаровує вольфрамові дроти і генерує магнітне поле, яке спрямовує пару вольфраму до центру циліндра. Пара стикається з пластиком, створюючи надзвукову ударну хвилю, яка генерує рентгенівські промені, які нагрівають дейтерій до більш ніж 11 мільйонів градусів Цельсія, щільно притискаючи його. В експериментах минулого року вчені Сандії вперше виявили нейтрони, які є показниками існування реакцій синтезу. Минулого місяця вони підтвердили своє відкриття.
У наші дні термоядерні сплески - це лише крихітні бульбашки, достатні для живлення 40-ватної лампочки лише на одну десятитисячну секунду. "Це перший крок на довгій дорозі", - сказав Ліпер.
Подальше оновлення дросельної заслінки, заплановане на 2005 рік, збільшить максимальний струм на третину. Тоді вчені сподіваються мати ще більшу машину. Врешті-решт, щоб виробляти електроенергію, фахівці Sandia оточили камеру термоядерного рідини рідиною, яка буде нагріватися, поглинаючи нейтрони, що утворюються в результаті реакції синтезу. Ця гаряча рідина закипить воду, яка активує турбіну.
Машина Z може робити щоденний постріл. Завод, що використовує цю технологію, повинен був би включати роботизовану систему, яка могла б замінювати згорілі вольфрамові кабелі, пінопласт і водневу капсулу кожні кілька секунд. Квінтенц заявляє, що майбутній завод повинен мати змогу виробляти енергетичні імпульси в трильйон разів потужніші, ніж ті, що випромінює машина Z.
Переваги та недоліки кожного методу
Енергія термоядерного синтезу була б більш безпечною, ніж енергія ділення, метод, який зараз використовується на атомних електростанціях, оскільки він не утворює довгоживучих радіоактивних відходів.
Кожен метод контрольованого плавлення, який зараз досліджується, має свої переваги та недоліки. Найбільшу увагу привертають лазери, які можна сфокусувати з великою точністю. Дуже дорогий американський Національний запальний центр випустить 192 лазери в одну ціль. Однак лазери відносно неефективні. Вчені, які хочуть використовувати важкі елементи, сподіваються скористатися технологією прискорювачів фізики частинок, які використовують магніти для направлення заряджених частинок.
Машина Z є відносно ефективною, коли йдеться про використання енергії, і це просто. "Це насправді проста технологія, і вона тверда", - говорить Рамон Ліпер з Національних лабораторій Сандії.
Традиційне злиття магнітних обмежень також прогресує: міжнародний проект ITER має на меті побудувати експериментальний реактор, і цього ж року очікується, що буде вирішено штаб-квартиру, до якої Іспанія обирає Вандельоса.
"Поки що рано говорити, якою буде переможна технологія", - говорить Стюарт К. Прагер, фахівець із синтезу з Університету Вісконсіна (США). "Ми, безумовно, повинні знати більше про фізику".
* Ця стаття вийшла у друкованому виданні 0022, 22 квітня 2003 року.