Uždegimo sintezė

Balandžio pabaiga, o darbuotojai montuoja paskutines Nacionalinės uždegimo įrenginio (NIF) dalis. Tai didžiulis pastatas, apimantis trijų futbolo aikščių plotą Lawrence'o Livermore'o nacionalinėje laboratorijoje Livermore, Kalifornijoje. Pasipuošę kietomis skrybėlėmis, plaukų tinkleliais, laboratoriniais chalatais ir latekso pirštinėmis, jie susirinko prie tikslinės kameros – 10 metrų skersmens rutulio, kuriame yra 48 poliruoto aliuminio kanalai, kuriuose kartu yra 192 atskiri lazerio spinduliai. Kiekviena sija atskirai yra viena iš galingiausių pasaulyje, sako Bruno Van Wonterghem, NIF operacijų vadovas. Kartu jie tiekia 50–60 kartų daugiau energijos nei bet kuris kitas lazeris.

Darbininkai ruošiasi sumontuoti pagrindinę įrangą – taikinio išlygiavimo jutiklį – kūginės strėlės gale, kurią galima ištiesti į kameros centrą. Mokslininkai naudos jutiklį, kad padėtų pieštuko trintuko dydžio auksinį balionėlį sferos centre ir sulygiuotų jį su lazerio spinduliais. Per ateinančius mėnesius atliekamų eksperimentų serija, jei viskas vyks pagal planą, tie lazeriai smogs į auksinį balionėlį 3–20 nanosekundžių ilgio impulsu, sukurdami didelės energijos rentgeno spindulių vonią. Tai savo ruožtu sukels dviejų milimetrų granulės, turinčios vandenilio izotopų, sprogimą. Visa ši kinetinė energija paverčiama šiluma, sako Van Wonterghem. Vandenilio granulės pasieks 100 milijonų °C temperatūrą ir 100 kartų didesnį už švino tankį – to pakaks, kad prasidėtų sintezės reakcija.

Ši istorija buvo mūsų 2009 m. liepos mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Sintezija, kai atomų branduoliai susijungia ir sudaro naujo elemento atomus, yra pagrindinė reakcija, kurianti branduolines bombas ir saulę. (NIF eksperimentuose vandenilio izotopai susijungia ir sudaro helio branduolius, išskirdami neutronus ir rentgeno spindulius.) Jis taip pat ilgą laiką buvo laikomas potencialiu gausios energijos šaltiniu, jei tik reakcijas būtų galima panaudoti kontroliuojamoje aplinkoje. Tai sudėtinga, nes plazma, pakankamai karšta, kad joje esantys vandenilio branduoliai susilietų, yra tokia karšta, kad sunaikintų bet kokią izoliuojančią medžiagą. Mokslininkai sugalvojo du bendrus sprendimus. Pirmasis ir labiausiai paplitęs dalykas yra apriboti plazmą galingame elektromagnetiniame lauke. Taip turėtų nutikti daugianacionaliniame, 14 milijardų dolerių vertės ITER projekte Prancūzijoje, kuris turėtų pradėti veikti iki 2018 m.

NIF imasi iš esmės kitokios krypties. Naudojant lazerius vandenilio kurui suspausti, jis imituos ekstremalų karštį ir tankį žvaigždės viduje. Susidariusi sintezės reakcija valdoma ne ją apribojant elektromagnetiniu būdu, o ribojant kuro kiekį. NIF sukels nedidelį termobranduolinį sprogimą, tokį mažą, kad jį būtų galima tirti 10 metrų kameroje. Tiesą sakant, pagrindinė NIF misija yra atskleisti aukštos temperatūros ir didelio tankio fiziką, įskaitant reakcijas branduoliniuose ginkluose, atkuriant sąlygas žvaigždžių ir bombų viduje.

Multimedija

• Apžiūrėkite NIF užkulisius.

Mokslininkai diskutuoja, kuris metodas bus naudingiausias gaminant elektrą; kol kas dar per anksti tuo įsitikinti. Tačiau panašu, kad NIF bus pirmasis įrenginys, pasiekęs reikšmingą etapą ieškant lazeriu pagrįstos sintezės energijos: savaime išsilaikančios reakcijos, kuri pagamina daugiau energijos, nei buvo sunaudota lazeriu, užsidegimo. Ankstesni eksperimentai ir kompiuterinis modeliavimas rodo, kad 192 lazeriai NIF yra pakankamai galingi ir tikslūs, kad sukeltų tokią grandininę reakciją, kuri degs tol, kol baigsis vandenilio kuras.

Vis dar reikia įveikti didžiulius iššūkius, kol sintezę bus galima panaudoti elektros gamybai. Tačiau pasiekti kontroliuojamą sintezės degimą bus neįtikėtinas įvykis, sako Edwardas Mosesas, pagrindinis Livermore direktoriaus pavaduotojas, atsakingas už NIF. Manome, kad ateiname į naują erą.

Šaudymo lazeriai
Uždegti sintezę nebus lengva. Tam reikalingas įrenginys, galintis valdyti daugybę galios, bet taip tiksliai valdyti, kad būtų galima nukreipti į taikinius, matuojamus mikrometrais. Tai, pasak MIT branduolinių mokslų ir inžinerijos profesoriaus Ian Hutchinson, bus neįtikėtinai įspūdingas technologinis pasiekimas.

Tą pačią popietę, kai technikai montuojo taikinio išlygiavimo jutiklį, kiti pradėjo burtis į objekto valdymo kambarį su dideliais ekranais ir darbo vietų grupėmis. Jie ruošiasi bandomajam lazerio kadrui, atėmus sintezės granules; saugumo sumetimais jis buvo suplanuotas naktį, po to, kai objekto lazerių skyriai ir taikinio kamera buvo išvalyti nuo darbuotojų.

Norint paleisti lazerį, reikia nustatyti 60 000 skirtingų valdymo taškų. Van Wonterghemas teigia, kad įvykių, kuriais lazerio impulsas perduodamas taikiniui, seka yra per sudėtinga žmogaus kontrolei, todėl pasirinkus nustatymus 1500 kompiuterių tinklas perims ir tyrėjų rankomis atliks galutinį atgalinį skaičiavimą. kybo šalia daugybės avarinio išjungimo mygtukų, išdėstytų visame kambaryje.

Jei viskas veiks, lazeriai pateiks 500 kartų didesnį impulsą nei didžiausias JAV elektros energijos gamybos pajėgumas. Impulsas uždegs termobranduolinį sprogimą – iš esmės sukurs mažytę žvaigždę.

Įjungimas
Prieš naudojant tokį procesą elektros gamybai, išliks didelių kliūčių. Tikimasi, kad sintezės reakcijos pagamins 10–20 kartų daugiau energijos, nei tiekia lazeriai. Tačiau čia neatsižvelgiama į energiją, reikalingą lazeriams gaminti: elektros energijos pavertimas lazerio šviesa yra neefektyvus procesas. Norint kompensuoti sugaištą energiją ir pagaminti pakankamai papildomos elektros energijos gamybai, reikės sintezės reakcijų, kurios generuotų apie 100 kartų daugiau energijos, nei tiekia lazeriai.

Kalbėdamas netvarkingame biure netoli NIF, Moses sako, kad yra bent du galimi būdai, kaip išspręsti šią problemą. Vienas reikalauja sujungti du lazerio impulsus, vadinamą greitu uždegimu. Teoriškai tai gali sumažinti lazerio energijos kiekį, reikalingą ilgalaikei reakcijai uždegti. Tačiau NIF šiuo metu tam nėra nustatytas; Tai metodas, kurio laikysis kiti šiuo metu statomi lazerinės sintezės projektai, o galiausiai ir NIF.

Kitas būdas, pasak M. M., yra sujungti sintezę su dalijimusi – reakcija, naudojama įprastose atominėse elektrinėse. Ši parinktis nesuteikia tokios pat beveik neribotos energijos perspektyvos, kaip vien tik branduolių sintezė, tačiau ji gali padidinti energijos kiekį, kurį galima išgauti iš urano, ir taip gerokai padidinti šį ir taip gausų kuro šaltinį. Tuo pačiu metu ji galėtų pašalinti pagrindinį prieštaravimą branduolio dalijimuisi, pašalindama beveik visas ilgaamžes radioaktyviąsias atliekas, kurias paprastai gamina. Šiuo metu mes gauname tik nuo pusės iki 1 procento turimos energijos, sako Mozė. Galime gauti 99 ir daugiau.

NIF mokslininkai sukūrė išsamų koncepcinį sintezės ir dalijimosi suporavimo planą. Branduoliniai reaktoriai sunaudoja tik dalį urane esančios energijos yra ta, kad kaupiantis reakcijos produktams jie ilgainiui trukdo grandininėms reakcijoms, kurių reikia norint išlaikyti energiją. Sintezija gali tiekti neutronų srautą, kuris gali palaikyti šias reakcijas ir sunaudoti beveik visą kuro energiją.

Žinoma, ne visi sutinka, kad lazerio sintezės energija veiks. Kai kurie skeptikai abejoja, ar konkrečiai NIF gali pasiekti savaiminį sintezę, sakydami, kad įrenginys negali pagaminti pakankamai didelės energijos lazerio impulsų, nepažeisdamas lazerio optikos arba neprarasdamas tikslaus dėmesio, reikalingo tolygiai suspausti kurą. Net jei įrenginyje būtų pasiekta ilgalaikė branduolių sintezė, norint gaminti elektrą elektrinėje, reikėtų lazerių, kurie galėtų uždegti naują kuro granulę 10–15 kartų per sekundę. NIF lazeriai, kurie tarp šūvių turi būti atvėsinami, gali būti iššauti ne dažniau kaip kartą per dvi ar keturias valandas. Net jei NIF bus tokia sėkminga, kaip tikėtasi, jie vis tiek bus labai toli nuo galimybės tai paversti praktiniu energijos šaltiniu, sako Hutchinsonas.

NIF jau pastebėjo kai kuriuos sėkmės ženklus. Anksčiau šiais metais visi 192 lazeriai buvo iššauti iš karto ir pasiekė energijos lygį, kurio pakaks sintezei uždegti. Vis dėlto ankstesni lazerių projektai Livermore turėjo pasiekti sintezės uždegimą, bet to nepadarė. Nors nuo to laiko daug išmokta, nėra jokios garantijos, kad šį kartą pavyks. Geros naujienos yra tai, kad neilgai trukus mokslininkai sužinos: po daugybės bandomųjų kadrų jie tikisi sėkmės per ateinančius dvejus metus. Mes laukiame kai kurių rezultatų, sako Hutchinson.

paslėpti