Повечето технологии за производство на енергия, използвани днес, са неустойчиви, тъй като причиняват значителни щети на естествената среда на нашата планета. През последните години учени от цял свят се опитват да създадат алтернативни енергийни решения, които се възползват от богатите природни ресурси.
В допълнение към решенията за слънчева енергия, вятърна енергия и морска вода, някои физици и инженери проучват възможността за получаване на енергия от реакции на ядрен синтез. Това е процесът, чрез който две атомни ядра се комбинират, за да образуват по-тежко ядро и енергичен неутрон.
Два изследователски екипа, работещи в Националната инсталация за запалване (NIF) на Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор (LLNL), демонстрираха нови подходи за увеличаване на производството на ядрена енергия чрез лазерно задвижвана реакция на синтез. Техните открития, публикувани в скорошни статии на Nature и Nature Physics, откриват нови вълнуващи възможности за един ден с използване на самонагряващи се плазми като устойчиви енергийни източници.
„Неотдавнашната статия в Nature и придружаващата статия от Annie Kritcher et al. докладват за резултатите от прилагането на стратегия за повишена производителност на термоядрения синтез, която нашият екип конструира и представи на общността на термоядрения инерционен затвор преди около четири години,“ Omar A Hurricane, главен учен на програмата Inertial Confinement Fusion в LLNL, каза пред Phys.org.
Тази стратегия, надграждаща десетилетия предишна работа в изследванията на инерционния термоядрен синтез, призова за значително увеличаване на размера на горивната капсула в рамките на термоядрената цел, което увеличава енергийното съдържание в термоядреното гориво и намалява скоростта на охлаждане. Тази работа, наречена „дизайн на имплозия с голям радиус с висока производителност“ (HYBRID), послужи като отправна точка за последните експерименти на изследователите.
„Работата, представена в Nature Physics, се основава на тази предишна работа, разбиране и технология, но решава ново техническо предизвикателство за първоначално доставяне на повече енергия към горещата плазма, за да се генерират достатъчно реакции на синтез, така че термоядреният синтез в крайна сметка да помогне за повторното нагряване на плазмата “, каза пред Phys.org Ани Кричър, един от водещите изследователи, участващи в изследването. „За да направим това, размерът на имплозията беше направен по-голям, което създаде различни технически предизвикателства.“
Въпреки че Hurricane, Kritcher и техните екипи от Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор преди това демонстрираха потенциала на стратегията HYBRID, те също откриха, че тя има редица ограничения. Най-вече при внедряването на HYBRID дизайна, те откриха трудности да поддържат свойства, свързани със стабилността, скорост на имплозия и контрол на симетрията, които постигнаха с помощта на по-малки имплозии на капсули, тъй като лазерната енергия бързо се изчерпа.
„Когато капсулата става по-голяма, имаме нужда от повече енергия, за да задвижим имплозията“, отбелязва Крис Йънг, друг водещ автор на изследването. „Тъй като вече използваме NIF лазера, трябва да сме креативни за това как да увеличим ефективността на „hohlraum“, който преобразува лазерните фотони в рентгенови лъчи, които задвижват имплозията.“
В техния експеримент Критчър и нейният екип осветиха лазерни лъчи върху вътрешността на златна кутия, създавайки рентгенова „пещ за излъчване“. След това тази „фурна“ беше използвана за нагряване на външната страна на капсула, съдържаща термоядреното гориво, и отстраняване на материала навън, създавайки сила на натиск върху горивото, която в крайна сметка кара пробата да имплодира при екстремни налягания. Поддържането на сферично симетрична имплозия е критично за постигане на добро представяне.
„При тези високи налягания възникват реакции на синтез и продукт от тези реакции се абсорбира отново, което допълнително загрява плазмата (самонагряване)“, обясни Кричър. "Напредъкът, постигнат в тази работа, ни позволи да предизвикаме по-мащабни имплозии, които осигуриха повече първоначални реакции на синтез и повече самонагряване. Когато самонагряването е по-голямо от работата, необходима за стартиране на реакциите на синтез, плазмата започва да гори."
Използвайки своя уникален експериментален дизайн, двата екипа в крайна сметка успяха да накарат плазмата да се „загрее“. Това в крайна сметка би могло да помогне за производството на по-големи реакции на синтез, без да се изисква по-модерно и скъпо оборудване.
„Получаването на състояние на „горяща плазма“ е цел за изследователската общност на термоядрения синтез от десетилетия и е необходима стъпка към още по-високи нива на производителност на термоядрения синтез“, обясни Ураган. „Получаването на горяща плазма означава, че се доближаваме до повратната точка на запалването на термоядрен синтез.“
Неотдавнашната работа на Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор е огромна стъпка напред за изследователската общност, изследваща реакциите на ядрен синтез. В допълнение към решаването на дългогодишен изследователски проблем в тази област, това в крайна сметка може да улесни въвеждането на алтернативни енергийни решения, базирани на самонагряваща се плазма.
„Възможността за достъп до този режим дава възможност за изследване на тези екстремни плазми и е критична първа стъпка към крайната цел за постигане на запалване и големи печалби от енергия“, каза Кричър. "Бъдещата ни работа ще включва подобрения в дизайна на целта, за да увеличи допълнително количеството на първоначалния синтез и повторното усвояване на продуктите на синтеза, за да доведе до по-високи печалби. И накрая, ние също ще проучим тези нови плазмени системи."
В следващите си проучвания двата екипа планират да проучат по-задълбочено наблюдаваното от тях състояние на горяща плазма, за да разберат по-добре физиката зад него. В допълнение, те биха искали да подобрят здравината на своя дизайн, например чрез намаляване на неговата променливост от изстрел до изстрел.
„Експериментите с инерционно ограничаване на термоядрения синтез в NIF постигнаха постоянен напредък в продължение на десетилетие, за да изследват предизвикателствата при постигането на плазмени условия (налягане от стотици милиарди атмосфери), необходими за осъществяване на значителен термоядрен синтез и преодоляване на тези предизвикателства“, добави Ураган. „Ние ще продължим да настояваме за по-високи нива на производителност на термоядрен синтез, като надграждаме това, което сме научили досега.“
Разгледайте още
Изследователи на ръба на запалването чрез термоядрен синтез в National Ignition FacilityПовече информация:A. B. Zylstra et al, Горяща плазма, постигната при инерционен синтез, Nature (2022).DOI: 10.1038/s41586-021-04281-w
A. L. Kritcher et al, Проектиране на имплозии на инерционен синтез, достигащи режима на горяща плазма, Nature Physics (2022).DOI: 10.1038/s41567-021-01485-9
O A Hurricane et al, Отвъд алфа-нагряването: задвижване на инерционно ограничени термоядрени имплозии към състояние на горяща плазма в National Ignition Facility, Plasma Physics and Controlled Fusion (2018).DOI: 10.1088/1361-6587/aaed71
Р. Betti et al, Alpha Heating and Burning Plasmas in Inertial Confinement Fusion, Physical Review Letters (2015).DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.255003
Информация за списанието:,,© 2022 Science X Network
Цитиране: Нови проучвания подчертават потенциала на самонагряващата се плазма за енергия от термоядрен синтез (2022 г., 17 февруари), извлечено на 20 май 2022 г. от https://phys.org/news/2022-02-highlight-potential -self-heating-plasmas-fusion.htmlТози документ е обект на авторско право. Освен всякакво честно отношение за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието се предоставя само за информационни цели.
