Важен етап в развитието на тази област на енергетиката бе преодолян в овладяването на термоядрената енергия на 8 август, 2021 г.

За първи път реакцията на синтез постигна рекордните 1,3 мегаджаула енергийна мощност – и за първи път надвишавайки енергията, погълната от горивото, използвано за задействането й.

Работата все още е в процес на партньорска проверка (peer-review).

Постижението е докладвано от изследователи от американската Национална лаборатория "Лорънс Ливърмор", по-точно - от съоръжението NIF (National Ignition Facility) - на 63-та годишна среща на Американското физическо общество (APS), отдела по физика на плазмата.

Въпреки че все още има път, който да се извърви, резултатът представлява значително подобрение спрямо предишните резултати: осем пъти по-голям от експериментите, проведени само няколко месеца преди това, и 25 пъти по-голям от експериментите, проведени през 2018 г. Това е огромно постижение.

„Този ​​резултат е историческа стъпка напред за изследванията на термоядрения синтез с инерционно ограничение, отваряйки принципно нов режим за изследване и напредъка на нашите най-важни задачи за националната сигурност. Освен това е доказателство за иновациите, изобретателността, отдадеността и твърдостта на този екип и много изследователи в тази област през десетилетията, които неотклонно са преследвали тази цел", отбелязва Ким Будил (Kim Budil), директор на Националната лаборатория "Лорънс Ливърмор".

Така нареченият инерционен синтез, типът на термоядрен подход, който се изучава в NIF, включва бързо имплодиране (обратна експлозия) на капсула с милиметров размер, наречена холраум, пълна с термоядрена горивна смес от деутерий и тритий (две форми на водород). Капсулата се нагрява с рентгенови лъчи, генерирани от високомощни лазери, превръщайки капсулата в плазма. Тази плазма се ускорява навътре, като колапсираща звезда, компресирайки деутериево-тритиевото гориво на капсулата в малка сфера с температура над 100 милиона градуса по Целзий и налягане повече от 100 милиарда пъти по-високо от това на земната атмосфера. При такива условия водородните атоми в горивото се подлагат на ядрен синтез, освобождавайки енергия.

Целият този процес отнема само няколко милиардни от секундата.

И точно както водородът се слива в по-тежки елементи в сърцето на звезда, така и деутерият и тритият в горивната капсула. Целият процес се извършва само за няколко милиардни от секундата. Целта е да се постигне "запалване".

Изследователската общност за термоядрен синтез използва много технически дефиниции за "запалването" (ignition), но Националната американска академия на науките приема дефиницията за "възвръщаемост, по-голяма от единица" в преглед на NIF от 1997 г., което означава добив на енергия от термоядрен синтез, по-голям от доставената лазерна енергия. Този експеримент произведе добив от термоядрен синтез от приблизително две трети от доставената лазерна енергия, което е поразително близо до тази цел.

За промишлен термоядрен реактор тези реакции на синтез трябва да бъдат самоподдържащи се, което означава, че те трябва да нагряват плазмата достатъчно, за да предизвикат допълнителни реакции на синтез. Това самоподдържащо се състояние е основно това, което се има предвид под "запалване", казва плазменият физик Джеръми Читенден (Jeremy Chittenden) от Imperial College London. Но „много е трудно да се диагностицира директно какво се случва вътре в горивото“, отбелязва Читенден.

Така че учените са приели по-практични дефиниции за "запалване", базирани на това, че изходящата енергия от синтез е по-голяма от входящата енергия от външни източници на загряване.

Аргументът за запалване се основава на отчитане на загубите при доставката на енергия: Изчисленията показват, че само около 230 kJ от лазерната енергия достига горивната капсула. За Калахан тази последна енергия е подходяща за разглеждане, тъй като описва топлината, идваща отвън. „Извадихме почти 6 пъти повече енергия, отколкото вложихме в капсулата“, казва тя. "Това е голямо постижение." Тя добавя, че постигането на запалване е „това, което си тръгнах да направя“, като стана учен по термоядрен синтез, „и го направихме“.

Въпросът сега е какво доведе до този голям тласък на продукцията? Последният експеримент изпробва няколко усъвършенствания в оборудването, горивото и методите. Тези постижения включват създаване на горивна капсула с по-малко дефекти и използване на значително по-тясна тръба за поставяне на деутерий-тритиево гориво вътре в капсулата.  Деби Калахан (Debbie Callahan) от Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор, смята, че и двете промени вероятно намаляват размера на нестабилностите, които се образуват в обвивката, докато се превръща в плазма. Ако тези нестабилности са твърде големи, те могат да доведат до инжектиране на материал с по-висок атомен номер в горивото, нарушавайки синтеза.

Учените от NIF също така извършват и някои други промени в конструкцията, които позволяват да увеличат скоростта на имплозията на обвивката на капсулата. По-бързо ускоряваща се обвивка прехвърля повече енергия към горещата точка на горивото, когато имплозията се прекъсва от вътрешното налягане, обяснява Калахан. Тя го сравнява със спирането на кола със спирачки: Колкото по-бързо се движи колата, толкова по-горещи стават спирачките. „Искахме да натиснем спирачките възможно най-силно, за да прехвърлим възможно най-много енергия от обвивката към горещата точка [горивото]“, разказва тя.

Дали промишлените термоядрен реактори ще се осъществят скоро?

Не и според Калахан, за не постижението е „ключова стъпка по дълъг път“. За да се направи жизнеспособен термоядрен реактор за промишлени нужди, реакцията трябва да произведе значително повече енергия, за да проработи реакторът. За създаване на 1,9-MJ-лазерен вход в NIF са необходими около 400 MJ електричество. И голяма част от тази лазерна енергия се губи, преди да достигне до водородното гориво. Едно място за значителна загуба е в холраума. Холраумът преобразува лазерната светлина в рентгенови лъчи, които транспортират лазерната енергия към горивото. Въпреки това, голяма част от тази входяща енергия се губи за нагряване на стените на холраума.

Намаляването на частта от енергията, загубена в холраума, е в краткосрочния списък със задачи за NIF. Учените проучват и нови пътища за изследвания, отворени от достигането на нов експериментален режим.

„Изключително вълнуващо време за работа по тази тема“, коментира Калахан.

63rd Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics

Ignition First in a Fusion Reaction, Physics