stringtranslate.com

зажигание термоядерного синтеза

Зажигание термоядерного синтеза — это точка, в которой реакция ядерного синтеза становится самоподдерживающейся . Это происходит, когда энергия , выделяемая реакцией, нагревает массу топлива быстрее, чем она охлаждается. Другими словами, зажигание термоядерного синтеза — это точка, в которой увеличивающийся самонагрев ядерного синтеза устраняет необходимость во внешнем нагреве. [1] Это количественно определяется критерием Лоусона . [2] Зажигание также можно определить с помощью коэффициента усиления энергии термоядерного синтеза . [3]

В лабораторных условиях зажигание термоядерного синтеза, определяемое критерием Лоусона, было впервые достигнуто в августе 2021 года [4] , а зажигание, определяемое коэффициентом усиления энергии, было достигнуто в декабре 2022 года [5] [6], оба эксперимента были проведены на Национальном заводе по зажиганию США .

Исследовать

Схема стадий инерционного термоядерного синтеза с использованием лазеров. Синие стрелки представляют излучение; оранжевые — выброс; желтые — переносимая внутрь тепловая энергия.
  1. Лазерные лучи или генерируемые лазером рентгеновские лучи быстро нагревают поверхность мишени термоядерного синтеза, образуя окружающую плазменную оболочку.
  2. Топливо сжимается за счет ракетного сдувания горячего поверхностного материала.
  3. На заключительном этапе взрыва капсулы плотность топливного ядра достигает 20-кратной плотности свинца и воспламеняется при температуре 100 000 000 ˚C.
  4. Термоядерное горение быстро распространяется по сжатому топливу, выделяя во много раз больше энергии, чем исходная.

Зажигание не следует путать с безубыточностью , похожей концепцией, которая сравнивает общую выделяемую энергию с энергией, используемой для нагрева топлива. Ключевое отличие заключается в том, что безубыточность игнорирует потери в окружающую среду, которые не способствуют нагреву топлива, и, таким образом, не способны сделать реакцию самоподдерживающейся. Безубыточность является важной целью в области термоядерной энергетики , но зажигание необходимо для практической конструкции, производящей энергию. [7]

В природе звезды достигают воспламенения при температурах, схожих с температурой Солнца , около 15 миллионов кельвинов (27 миллионов градусов по Фаренгейту). Звезды настолько велики, что продукты термоядерного синтеза почти всегда взаимодействуют с плазмой, прежде чем их энергия может быть потеряна в окружающей среде за пределами звезды. Для сравнения, искусственные реакторы гораздо менее плотные и намного меньше, что позволяет продуктам термоядерного синтеза легко покидать топливо. Чтобы компенсировать это, требуются гораздо более высокие скорости термоядерного синтеза и, следовательно, гораздо более высокие температуры; большинство искусственных термоядерных реакторов рассчитаны на работу при температурах более 100 миллионов кельвинов (180 миллионов градусов по Фаренгейту). [8]

Термоядерное зажигание было впервые достигнуто людьми в ядрах детонирующего термоядерного оружия . Термоядерное оружие использует обычную «свечу зажигания» деления ( U-235 или Pu-239 / 241 ) для создания высокого давления и сжатия стержня термоядерного топлива (обычно дейтерида лития ). Топливо достигает достаточно высоких давлений и плотностей для воспламенения, высвобождая в процессе большое количество энергии и нейтронов. [9]

The National Ignition Facility в Lawrence Livermore National Laboratory проводит эксперименты по инерционному термоядерному синтезу с лазерным управлением, в ходе которых достигается термоядерное зажигание. Это похоже на термоядерное оружие, но в The National Ignition Facility вместо ядерного оружия для сжатия топлива используется лазерная система мощностью 1,8 МДж , а также гораздо меньшее количество топлива (смесь дейтерия и трития , которые являются изотопами водорода ). [10] В январе 2012 года директор National Ignition Facility Майк Данн в пленарном докладе Photonics West 2012 предсказал, что зажигание в NIF будет достигнуто к октябрю 2012 года. [11] К 2022 году в NIF было достигнуто зажигание. [ требуется ссылка ]

Основанный на конструкции токамак -реактора, ИТЭР предназначен для поддержания термоядерного синтеза в основном за счет внутреннего термоядерного нагрева и получения в своей плазме десятикратной отдачи энергии. [12] Ожидается, что строительство будет завершено в 2025 году. [ необходима цитата ]

Эксперты полагают, что достижение термоядерного зажигания является первым шагом на пути к производству электроэнергии с использованием термоядерной энергии . [13]

Отчеты о возгорании за 2021 и 2022 гг.

Национальный центр зажигания в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора в Калифорнии сообщил в 2021 году [14] , что он инициировал зажигание в лаборатории 8 августа 2021 года, впервые за более чем 60-летнюю историю программы ICF. [15] [16] Выстрел дал 1,3 мегаджоуля энергии термоядерного синтеза, что в 8 раз лучше, чем результаты испытаний, проведенных весной 2021 года. [14] По оценкам NIF, лазер выделил 1,9 мегаджоуля энергии, 230 килоджоулей из которых достигли топливной капсулы. Это соответствует общему научному приросту энергии 0,7 и приросту энергии капсулы 6. [14] Хотя эксперимент не достиг воспламенения, как определено Национальной академией наук — общий прирост энергии больше единицы, — большинство людей, работающих в этой области, рассматривали эксперимент как демонстрацию воспламенения, как определено критерием Лоусона. [14]

В августе 2022 года результаты эксперимента были подтверждены в трех рецензируемых статьях: одна в Physical Review Letters и две в Physical Review E. [ 17] В течение 2022 года исследователи NIF пытались, но не смогли повторить результат августа. [18] Однако 13 декабря 2022 года Министерство энергетики США объявило в Twitter, что эксперимент, проведенный 5 декабря, превзошел результат августа, достигнув научного прироста в 1,5, [19] [20] превзойдя определение воспламенения Национальной академии наук. [3]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Чандлер, Дэвид Л. (10 мая 2010 г.). «Новый проект нацелен на зажигание термоядерного синтеза». MIT News . MIT . Получено 24 февраля 2012 г. .
  2. ^ Лоусон, Дж. Д. (декабрь 1955 г.). «Некоторые критерии для термоядерного реактора, производящего энергию». Труды Физического общества, раздел B. 70 ( 1): 6–10. Bibcode : 1957PPSB...70....6L. doi : 10.1088/0370-1301/70/1/303.
  3. ^ ab Bishop, Breanna (6 февраля 2023 г.). «Зажигание дает США «уникальную возможность» возглавить мировые исследования IFE». Национальная лаборатория им. Лоуренса в Ливерморе . Получено 26 июля 2023 г. Этот подвиг установил научный прирост энергии в 1,5 раза по сравнению с приростом в 1, используемым Национальной академией наук для определения зажигания.
  4. ^ Абу-Шавареб, Х.; Акри, Р.; Адамс, П. (8 августа 2022 г.). «Критерий Лоусона для воспламенения превышен в эксперименте по инерционному синтезу». Phys. Rev. Lett . 129 (7): 075001. doi : 10.1103/PhysRevLett.129.075001 . hdl : 10044/1/99300 . PMID  36018710.
  5. ^ Клери, Дэниел (13 декабря 2022 г.). «С историческим взрывом, долгожданный прорыв в термоядерной физике». Science . doi :10.1126/science.adg2803 . Получено 13 декабря 2022 г. .
  6. ^ Дэвид Крамер (13 декабря 2022 г.), «Национальная установка зажигания превзошла долгожданный этап термоядерного синтеза», Physics Today , 2022 (2), Американский институт физики: 1213a, doi : 10.1063/PT.6.2.20221213a, S2CID  254663644, Выстрел в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса 5 декабря стал первой в истории контролируемой реакцией термоядерного синтеза, давшей прирост энергии.
  7. ^ "The National Ignition Facility: Ushering in a New Age for Science". Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора . Архивировано из оригинала 2 мая 2012 года . Получено 26 февраля 2012 года .
  8. ^ Narang, Gaurvi (11 сентября 2022 г.). «Ядерный термоядерный реактор достигает 100 миллионов градусов по Цельсию за 30 секунд. Вот что это значит для будущего». ThePrint . Получено 28 декабря 2022 г.
  9. ^ Хансен, Чак (1988). Ядерное оружие США: Секретная история . Корона . ISBN 978-0517567401. LCCN  87021995. OCLC  865554459. OL  2392513M . Получено 10 ноября 2021 г. – через интернет-архив .
  10. ^ Национальный исследовательский совет (США). Комитет по плазме (20 декабря 2007 г.). Плазменная наука: продвижение знаний в интересах нации. The National Academic Press. стр. 24. ISBN 978-0-309-16436-8.
  11. ^ Хэтчер, Майк (26 января 2012 г.). «PW 2012: термоядерный лазер на пути к 2012 году». Optics.org . Сан-Франциско . Получено 11 января 2019 г. .
  12. ^ «Что такое ИТЭР?».
  13. ^ Национальный исследовательский совет (США). Комитет по плазме (20 декабря 2007 г.). Плазменная наука: продвижение знаний в интересах нации. The National Academic Press. ISBN 978-0-309-16436-8.
  14. ^ abcd Райт, Кэтрин (30 ноября 2021 г.). «Возгорание сначала в реакции синтеза». Physics . 14 : 168. Bibcode :2021PhyOJ..14..168W. doi : 10.1103/Physics.14.168 . S2CID  244829710.
  15. ^ Даннинг, Хейли (17 августа 2021 г.). «Важная веха в ядерном синтезе достигнута благодаря «зажиганию», произошедшему в лаборатории». Phys.org .
  16. ^ Бишоп, Бреанна (18 августа 2021 г.). «Эксперимент Национального центра зажигания ставит исследователей на порог зажигания термоядерного синтеза». Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса .
  17. ^ Падилла, Майкл (8 августа 2022 г.). «Три рецензируемые статьи освещают научные результаты рекордного выстрела Национального центра зажигания». Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса .
  18. ^ Крамер, Дэвид (3 декабря 2021 г.). «Последние попытки Лоуренса Ливермора зажечь не увенчались успехом». Physics Today . 2021 (2): 1203a. doi :10.1063/PT.6.2.20211203a. S2CID  244935714.
  19. ^ Дэвис, Никола (12 декабря 2022 г.). «Прорыв в ядерном синтезе может означать «почти безграничную энергию»». The Guardian . Получено 13 декабря 2022 г. .
  20. ^ @energy (13 декабря 2022 г.). «СРОЧНЫЕ НОВОСТИ: Это объявление готовилось десятилетиями» ( Твит ) . Получено 14 декабря 2022 г. – через Twitter .

Внешние ссылки