Ученые из NRL в сотрудничестве с Министерством энергетики США опубликовали результаты своих исследований.Фторид аргона (ArF)Исследования в области лазерного термоядерного синтеза были опубликованы в «Философских трудах Королевского общества» прошлой осенью.
В научной статье «Высокое усиление термоядерного синтеза при энергии лазера менее мегаджоуля с использованием лазера на фториде аргона с прямым управлением» сообщается, что фторид аргона является перспективной технологией для достижения высокоэффективного инерциального термоядерного синтеза, необходимого для производства энергии. Лазерный термоядерный синтез включает в себя имплозию небольших капсул для достижения высокой плотности и температуры (100 миллионов градусов Цельсия), необходимых для инициирования термоядерной реакции.
Энергию термоядерного синтеза можно использовать в качестве источника питания, если коэффициент усиления значительно превышает энергию, необходимую для работы лазера, и моделирование, проведенное в NRL, показало, что глубокое ультрафиолетовое излучение ArF может обеспечить высокий коэффициент усиления при гораздо более низких энергиях лазера, чем считалось ранее возможным.«ArF-лазеры позволяют разрабатывать и строить более компактные и недорогие термоядерные электростанции, — сказал Обеншайн. — Это ускорит внедрение этого привлекательного источника энергии, запасов топлива которого хватит на тысячи лет».
Результаты NRL имеют особое значение, поскольку 8 августа Национальный центр термоядерного синтеза (NIF) в Национальной лаборатории имени Лоуренса Ливермора объявил о проведении эксперимента по лазерному термоядерному синтезу, в ходе которого было получено почти столько же энергии, сколько лазерные лучи, используемые для имплозии. Результаты NIF показали 1,3 мегаджоуля энергии термоядерного синтеза, что эквивалентно фунту взрывчатых веществ, тем самым продемонстрировав фундаментальную научную и технологическую осуществимость лазерного термоядерного синтеза.
«Результаты NIF впечатляют и подчеркивают необходимость обращения к лазерным технологиям, которые ускорят будущий прогресс. Технология nRL ArF-лазеров открывает путь к более высоким коэффициентам усиления и выходам термоядерной энергии», — сказал Обеншайн. «Эти качества необходимы для Программы управления запасами ядерного топлива NNSA, а высокий коэффициент усиления требуется для выработки термоядерной энергии».
Массив лазерных линз Nike фокусирует 44 луча фторидных криптоновых (KrF) лазеров на мишенях, представляющих собой небольшую часть имплозионной капсулы. Мишени миллиметрового размера видны в центральной линзе. KrF-лазеры похожи на ArF-лазеры, но имеют немного большую длину волны (248 нм). Эксперимент Nike продвигает фундаментальные физические принципы равномерного ускорения мишени до высоких скоростей, необходимых для термоядерной имплозии. Источник: Военно-морская исследовательская лаборатория
Обеншайн отмечает, что для достижения производительности, энергии, частоты повторения импульсов, точности и надежности, соответствующей миллиардным затратам, необходимым для термоядерного синтеза на коммерческих электростанциях, потребуются значительные инвестиции в высокоэнергетические ArF-лазеры.
«Наша работа на сегодняшний день показала, что нет никаких принципиальных препятствий, мешающих инерциальным термоядерным энергетическим системам с прямым приводом ArF соответствовать этим требованиям», — сказал Обеншайн.
Он сказал: «Эти преимущества могут способствовать разработке более дешевых модулей термоядерных электростанций скромного масштаба, работающих при энергии лазера менее 1 мегаджоуля». «Это произведет революцию в существующем мнении о том, что энергия лазерного термоядерного синтеза слишком дорога, а электростанции слишком велики».
«NRL является мировым лидером в разработке высокоэнергетических лазерных технологий на основе фторида аргона», — сказал доктор Макс Карасик, руководитель отдела физики мишеней с использованием лазеров в NRL. — «Кроме того, мы проводим эксперименты для углубления физических основ лазерного термоядерного синтеза и компьютерное моделирование для определения оптимальной конфигурации для высокоэффективной имплозии ArF-лазера».
Потенциал ArF-лазера для термоядерной энергетики подтверждается программой BETHE (Breakthroughs to Enable Thermonuclear Fusion Energy) Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США (ARPA-E). Эта программа поддерживает своевременную разработку коммерчески жизнеспособных источников термоядерной энергии.
Ведущее направление исследований – Лазерно-плазменное отделение Отдела физики плазмы – разработало трехэтапный план по совершенствованию аргонфторидных лазеров для достижения характеристик, необходимых для имплозии с высоким коэффициентом усиления энергии.
На первом этапе будут завершены фундаментальные научные и технологические работы по созданию ArF-лазера, которые в настоящее время ведутся в NRL. На втором этапе будет построена и протестирована полномасштабная высокоэнергетическая лазерная линия ArF. На третьем этапе будет построена установка для имплозии из 20-30 таких линий, которая будет использована для демонстрации высокого коэффициента усиления энергии (>100), необходимого для оборонных и энергетических применений.
Дата публикации: 18 сентября 2024 г.