Термоядерное зажигание
Зажигание термоядерного синтеза — это момент, в котором реакция ядерного синтеза становится самоподдерживающейся . Это происходит, когда энергия , выделяемая в результате реакции, нагревает топливную массу быстрее, чем охлаждает. Другими словами, термоядерное зажигание — это момент, в котором возрастающий саморазогрев ядерного синтеза устраняет необходимость во внешнем нагреве. [ 1 ] Это количественно определяется критерием Лоусона . [ 2 ] Воспламенение также можно определить по коэффициенту усиления энергии термоядерного синтеза . [ 3 ]
В лаборатории термоядерное воспламенение, определяемое критерием Лоусона, было впервые достигнуто в августе 2021 года. [ 4 ] и воспламенение, определяемое коэффициентом выигрыша энергии, было достигнуто в декабре 2022 года, [ 5 ] [ 6 ] США оба – Национальным центром зажигания .
Исследовать
[ редактировать ]
- Лазерные лучи или рентгеновские лучи, создаваемые лазером, быстро нагревают поверхность термоядерной мишени, образуя окружающую плазменную оболочку.
- Топливо сжимается за счет ракетного сдувания горячего материала поверхности.
- Во время заключительной части взрыва капсулы плотность топливного ядра достигает 20-кратной плотности свинца и воспламеняется при температуре 100 000 000 °C.
- Термоядерный ожог быстро распространяется по сжатому топливу, выделяя во много раз больше входной энергии.
Зажигание не следует путать с безубыточностью — аналогичной концепцией, которая сравнивает общую выделяемую энергию с энергией, используемой для нагрева топлива. Ключевое отличие состоит в том, что безубыточность игнорирует потери в окружающей среде, которые не способствуют нагреву топлива и, следовательно, не могут сделать реакцию самоподдерживающейся. Безубыточность является важной целью в области термоядерной энергетики , но для практической конструкции, производящей энергию, необходимо зажигание. [ 7 ]
В природе звезды достигают воспламенения при температуре, близкой к температуре Солнца , около 15 миллионов кельвинов (27 миллионов градусов по Фаренгейту). Звезды настолько велики, что продукты термоядерного синтеза почти всегда будут взаимодействовать с плазмой, прежде чем их энергия будет 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 плавления 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 ]
Зажигание термоядерного синтеза было впервые осуществлено людьми в ядре детонирующего термоядерного оружия . В термоядерном оружии используется обычная «свеча зажигания» деления ( U-235 или Pu-239 / 241 ) для создания высокого давления и сжатия стержня термоядерного топлива (обычно дейтерида лития ). Топливо достигает достаточно высокого давления и плотности, чтобы воспламениться, выделяя при этом большое количество энергии и нейтронов. [ 9 ]
Национальная установка зажигания Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса с помощью лазера, проводит эксперименты по термоядерному синтезу с инерционным удержанием в результате которых достигается термоядерное зажигание. Это похоже на термоядерное оружие, но Национальная установка зажигания использует лазерную систему мощностью 1,8 МДж вместо оружия деления для сжатия топлива и использует гораздо меньшее количество топлива (смесь дейтерия и трития , которые оба изотопами являются водород ). [ 10 ] В январе 2012 года директор Национального центра зажигания Майк Данн на пленарном докладе Photonics West 2012 предсказал, что воспламенение будет достигнуто в NIF к октябрю 2012 года. [ 11 ] К 2022 году НИФ добился воспламенения. [ нужна ссылка ]
Основанный на конструкции реактора токамак , ИТЭР предназначен для поддержания термоядерного синтеза в основном за счет внутреннего термоядерного нагрева и обеспечения десятикратного возврата энергии в плазме. [ 12 ] Ожидается, что строительство завершится в 2025 году. [ нужна ссылка ]
Эксперты полагают, что достижение термоядерного воспламенения является первым шагом на пути к производству электроэнергии с использованием термоядерной энергии . [ 13 ]
Отчеты о возгорании за 2021 и 2022 годы
[ редактировать ]Национальная установка зажигания Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии сообщила в 2021 году. [ 14 ] что он вызвал возгорание 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 больше, чем в испытаниях, проведенных весной 2021 года. [ 14 ] По оценкам NIF, лазер подал 1,9 мегаджоулей 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 по определению Национальной академии наук (общий прирост энергии превышал единицу), большинство людей, работающих в полевых условиях, рассматривали эксперимент как демонстрацию воспламенения, определенного критерием Лоусона. [ 14 ]
В августе 2022 года результаты эксперимента были подтверждены в трёх рецензируемых статьях: одна в Physical Review Letters и две в Physical Review E. [ 17 ] На протяжении 2022 года исследователи НИФ пытались, но безуспешно, повторить августовский результат. [ 18 ] Однако 13 декабря 2022 года Министерство энергетики США объявило через Твиттер, что эксперимент 5 декабря превзошел августовский результат, достигнув научного прироста 1,5. [ 19 ] [ 20 ] превосходя определение воспламенения Национальной академии наук. [ 3 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Чендлер, Дэвид Л. (10 мая 2010 г.). «Новый проект направлен на термоядерное зажигание» . Новости МТИ . Массачусетский технологический институт . Проверено 24 февраля 2012 г.
- ^ Лоусон, доктор юридических наук (декабрь 1955 г.). «Некоторые критерии энергетического термоядерного реактора». Труды Физического общества, раздел Б. 70 (1): 6–10. Бибкод : 1957ППСБ...70....6Л . дои : 10.1088/0370-1301/70/1/303 .
- ^ Jump up to: а б Епископ, Брианна (6 февраля 2023 г.). «Ignition дает США «уникальную возможность» возглавить мировые исследования IFE» . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса . Проверено 26 июля 2023 г.
Этот подвиг установил научный прирост энергии в 1,5 по сравнению с приростом в 1, который используется Национальной академией наук для определения воспламенения.
- ^ Абу-Шавареб, Х.; Акри, Р.; Адамс, П. (8 августа 2022 г.). «Критерий Лоусона для воспламенения, превышенный в эксперименте по инерционному термоядерному синтезу» . Физ. Преподобный Летт . 129 : 075001. doi : 10.1103/PhysRevLett.129.075001 . hdl : 10044/1/99300 . Проверено 26 июля 2023 г.
- ^ Клери, Дэниел (13 декабря 2022 г.). «Исторический взрыв и долгожданный прорыв в области термоядерного синтеза» . Наука . дои : 10.1126/science.adg2803 . Проверено 13 декабря 2022 г.
- ^ Дэвид Крамер (13 декабря 2022 г.), «Национальная установка зажигания преодолела долгожданную веху в области термоядерного синтеза» , Physics Today , 2022 (2), Американский институт физики: 1213a, doi : 10.1063/PT.6.2.20221213a , S2CID 254663644 ,
Выстрел в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса 5 декабря — это первая в истории контролируемая реакция термоядерного синтеза, дающая выигрыш в энергии.
- ^ «Национальный центр зажигания: начало новой эры науки» . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса . Архивировано из оригинала 2 мая 2012 года . Проверено 26 февраля 2012 г.
- ^ Наранг, Гаурви (11 сентября 2022 г.). «Реактор ядерного синтеза достигает 100 миллионов градусов Цельсия за 30 секунд. Вот что это значит для будущего» . Печать . Проверено 28 декабря 2022 г.
- ^ Хансен, Чак (1988). Ядерное оружие США: Тайная история . Корона . ISBN 978-0517567401 . ЛЦН 87021995 . OCLC 865554459 . ОЛ 2392513М . Проверено 10 ноября 2021 г. - из Интернет-архива .
- ^ Национальный исследовательский совет (США). Плазменный комитет (20 декабря 2007 г.). Наука о плазме: развитие знаний в национальных интересах . Национальная академическая пресса. п. 24. ISBN 978-0-309-16436-8 .
- ^ Хэтчер, Майк (26 января 2012 г.). «PW 2012: термоядерный лазер на подходе к 2012 году» . Оптика.org . Сан-Франциско . Проверено 11 января 2019 г.
- ^ «Что такое ИТЭР?» .
- ^ Национальный исследовательский совет (США). Плазменный комитет (20 декабря 2007 г.). Наука о плазме: развитие знаний в национальных интересах . Национальная академическая пресса. ISBN 978-0-309-16436-8 .
- ^ Jump up to: а б с д Райт, Кэтрин (30 ноября 2021 г.). «Сначала воспламенение в реакции термоядерного синтеза» . Физика . 14 : 168. Бибкод : 2021PhyOJ..14..168W . дои : 10.1103/Физика.14.168 . S2CID 244829710 .
- ^ Даннинг, Хейли (17 августа 2021 г.). «Главная веха в области ядерного синтеза достигнута, когда в лаборатории произошло «воспламенение»» . Физика.орг .
- ^ Епископ, Брианна (18 августа 2021 г.). «Эксперимент Национальной установки зажигания ставит исследователей на порог термоядерного воспламенения» . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса .
- ^ Падилья, Майкл (8 августа 2022 г.). «Три рецензируемых статьи освещают научные результаты рекордной мощности выстрела, полученного Национальной установкой зажигания» . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса .
- ^ Крамер, Дэвид (3 декабря 2021 г.). «Последние попытки Лоуренса Ливермора зажечь провалились» . Физика сегодня . 2021 (2): 1203а. дои : 10.1063/PT.6.2.20211203a . S2CID 244935714 .
- ^ Дэвис, Никола (12 декабря 2022 г.). «Прорыв в области ядерного синтеза может означать «почти безграничную энергию» » . Хранитель . Проверено 13 декабря 2022 г.
- ^ @energy (13 декабря 2022 г.). «ПОСРЕДСТВЕННЫЕ НОВОСТИ: Это объявление готовилось десятилетиями» ( твит ) . Проверено 14 декабря 2022 г. - через Twitter .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Национальная установка зажигания
- Лазерный мегаджоуль (на французском языке)