Сделан важный шаг на пути к лазерному термоядерному синтезу

    В среду, 12 февраля, в журнале Nature была опубликована статья, описывающая результаты последних экспериментов на установке National Ignition Facility (NIF) Ливерморской национальной лаборатории, в ходе которых впервые выход энергии в результате индуцированной лазерами управляемой термоядерной реакции превысил количество энергии, переданной топливу. Необходимые для начала ядерного синтеза давление и температура достигаются в установке NIF с помощью 192 лазеров, которые синхронно облучают крошечную мишень из замороженного дейтерия и трития.

    image

    Мишень представляет собой шарик диаметром 2 мм, внешний слой которого сделан из пластика, а внутренний — из тяжёлых изотопов водорода. Шарик находится внутри золотого цилиндра с отверстиями, сквозь которые внутрь попадает излучение лазеров. Под воздействием этого излучения внутренние стенки цилиндра начинают испускать рентгеновские лучи, которые равномерно «поджаривают» мишень со всех сторон. Её внешняя оболочка мгновенно испаряется и с огромной силой сжимает топливо до давления в 100 миллионов атмосфер. Всё это происходит в течение нескольких наносекунд. Пиковая мощность лазерной вспышки достигает 500 тераватт.

    До сих пор физикам не удавалось получить от термоядерной реакции больше энергии, чем передавалось топливу, в основном из-за того, что в ходе сжатия топливо смешивалось с материалом оболочки. Так как для сжатия используется не один импульс лазера, а несколько, варьируя длительность и мощность отдельных вспышек, можно управлять этим процессом. В последних экспериментах, проведённых осенью 2013 года, удалось подобрать последовательность импульсов, которая обеспечивает стабильное сжатие и уменьшает загрязнение топлива атомами оболочки. 27 сентября 2013 года удалось получить 14 килоджоулей энергии, затратив на сжатие и нагрев топлива около 12 кДж. 13 ноября — 17 кДж при затратах на уровне 10 кДж. В начале 2014 года соотношение произведённой топливом энергии к затраченной удалось довести до 2,6.



    Хотя эти результаты — важная веха на пути к термоядерной энергетике, до практического применения пока ещё очень далеко. Дело в том, что общие затраты энергии установки на один импульс на два порядка больше чем количество энергии, которое доходит до капсулы с топливом. Экономическая эффективность ещё во много раз ниже — о самоподдерживаемой реакции синтеза пока речь не идёт, NIF — чисто экспериментальная установка, она может делать не больше одного «выстрела» за несколько часов.

    Проект Международного экспериментального ядерного реактора (ITER), строительство которого сейчас идёт во Франции, всё ещё выглядит более практичным — начало экспериментов на нём запланировано на 2020 год, а развиваемая термоядерная мощность должна составить 500 мегаватт. Реактор ITER представляет собой огромный токамак — термоядерная реакция в нём проходит в тороидальной камере внутри плазменного «шнура», удерживаемого магнитным полем. Всего в мире построено около 300 токамаков, эксперименты с ними проводятся уже несколько десятков лет. Установки импульсного типа, к которым относится и NIF, распространены гораздо меньше.

    Поделиться публикацией
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 62

      0
      превысил количество энергии, переданной топливу
      Это очень важное замечание, т. к. до передачи энергии топливу лазер теряет огромное количество энергии на всевозможных преобразованиях (электричество -> ксенон -> инфракрасный лазер -> ультрафиолетовый лазер -> рентгеновский лазер -> передача энергии топливу). Из взятых из википедии цифр — для начала зажигания необходимо 422 МДж электричества в конденсаторах, на выходе мы получаем 14-17 кДж, которые еще нужно превратить в электричество (очевидно, тоже, с КПД < 100%).
        +9
        Читаем дальше:
        Хотя эти результаты — важная веха на пути к термоядерной энергетике, до практического применения пока ещё очень далеко. Дело в том, что общие затраты энергии установки на один импульс на два порядка больше чем количество энергии, которое доходит до капсулы с топливом.


        Хотя новости о достижениях в таких исследованиях всё равно неимоверно радуют.
          0
          Да большинство лазеров имеют чудовишьно низкий КПД, хотя если получится использовать энергию взрыва топлива для накачки и передать в следующие импульсы — то это вери гут. Тут еще не стоит забывать что нам нужна електроэнергия — а следовательно неизбежны потери 60-70% на тепловых машинах (если конечно до момента внедрения в промышленность не придумают способа прямого преобразования тепловой энергии в електрическую с КПД хотя-бы 80%)
          +8
          Дык на токамаках этот показатель уже давно больше единицы, разве нет?

          Что-то не сильно мы от этого к термояду за последние лет 40 «приблизились».
            0
            А как вы определяете, насколько приблизились?
              +2
              По оценочным прогнозам его достижения. Как тут уже писали в комментариях, ещё в 70-х обещали что вот-вот ещё лет 20 и всё будет. Вроде где-то около пяти лет назад начали строить какой-то центр в Европе (извините, не помню конкретных названий и дат), где будут проводиться исследования, так вот обещают что когда его достроят и проведут все испытания, то тоже ориентировочно 20 до достижения термояда останется…
                –1
                Вроде бы компьютеры уже научили всех не верить прогресс-барам, однако, всё ж находятся люди.

                Как закончат, так закончат. Я бы на месте учёных вообще ютубовский кружок рисовал.
                  +11
                  Вы знаете, мне так уже надоело это постоянное придирание к словам на хабре, даже ничего вам отвечать не хочется.
                    +2
                    Я не к словам прдираюсь, а к смыслу. Рассказы про оставшееся время — что прогресс-бар инсталлятора. закончат — появится. Так что ютубовский кружочек куда более честный.
                0
                Отличная статья про термоядерную энергетику.
                +1
                Сделан важный шаг на пути к лазерному термоядерному синтезу

                Ну в статье конкретно про лазерный, а не вообще.
                +41
                Оставлю тут комментарий, прочту, когда лазерный термояд будет обыденным делом. Поностальгирую.
                  +2
                  del, sorry
                    +3
                    Надеюсь, наши внуки прочтут этот комментарий.
                    0
                    В такой схеме интересно, удастся ли ее каскадировать. То есть использовать энергию взрыва первого шарика для детонации более массивного, аналогично тому, как это в водородной бомбе делается.
                      0
                      Ну так бомбу и получим.
                      Вот если передавать неиспользованную энергию следующему шарику — тогда да, и система лазеров нужна только для запуска, а дальше — стреляй, пулемёт!
                      +4
                      Мда. Как-то мне попалась в руки научно-популярная книжка годов 70х, в которой обещалось, что советские учёные сделают УТС еще через лет 10.

                      УТС, кажется, самый обескураживающий проект 20 века.

                      Вроде, во время Холодной Войны и космос сделали, и Ядерный технологии, и массовое производство, и в конце концов, компьютинг, на чём нас и победил западный мир.

                      А УТС так и остался «третьей стороной», побившей оба блока. 40 лет прошло с той книжки, дети выросли, своих детей родили, те в школу пошли, а может, кто и своих уже имеет.

                      А «бесплатная» энергия как смеялась над нами, так и смеётся.
                        +66
                        Точка фокуса сместилась.
                        Да, в 30-е годы лучшие научные умы планеты сконцентрировались на физике. Эпоха бури и натиска, открытия и достижения сыпались как из рога изобилия. Сделано было очень и очень много. Казалось, ещё чуть-чуть, и появится термояд, подарив нам море энергии.
                        И всё вдруг внезапно сдулось. Где-то в середине 50-х физика словно «замёрзла». Исследования вроде бы и шли, но как-то вяло, без прежнего задора, и очень часто либо оканчивались ничем, либо давали ничтожно малый выхлоп. Вот уже полвека прошло, а реакторы, технологии, атомные боеприпасы почти не улучшились.
                        Почему так? Да потому что как раз в то самое время все лучшие умы человечества, все ресурсы, все финансовые потоки были брошены в космическую гонку.
                        Результаты потрясают. За несколько десятилетий мы узнали о космосе больше, чем за всё предыдущее время существования человечества. В этом направлении шёл прорыв за прорывом, происходило невероятное. Люди уже верили, что на Марсе вот-вот расцветут яблони.
                        И вдруг всё сдулось. Запуски вроде и ведутся, но как-то вяло. Новых прорывов не наблюдается, о новых технологиях больше говорят, чем делают.
                        Почему? Да потому что началось бурное развитие IT-отрасли, которое и оттянуло на себя все лучшие умы и ресурсы планеты. Скачок произошёл колоссальный. В каждом утюге теперь микрокомпьютер. Рождаются технологии, изменяющие мир. Кажется, что ещё чуть-чуть, какое-то десятилетие, и будет изобретён ИИ, и на человечество снизойдёт технологическая сингулярность.
                        Надо ли говорить, что история скорее всего повторится? Что сейчас схлынет мода на портативные и wearable-устройства, и человечество вполне может найти новую точку фокуса? И ещё лет через 50 мы так и будем сидеть на всё тех же платформах с незначительными улучшениями, а мега-прорывы будут происходить где-то в другой научной области — там, куда сместится точка фокуса.
                          +2
                          Да, видимо, так и есть.

                          Ну, то есть, кажется, сейчас расшифруют геном (не просто секвенируют, а, грубо говоря, научатся писать свои вирусы, встраивающиеся в днк и что-то в ней меняющие), и научатся делать крутые вещи. Вероятно, биотех тоже натолкнётся на какую-то стену, у которой обмякнет. Непонятно, то ли бессмертие, то ли деградация мозга.

                          Вопрос — будет ли что-нибудь подобное дальше? Или мы всё-таки в конце истории живём?

                            +1
                            Вы-таки будете смеяться, но использование вирусных векторов в лекарствах это уже реальность. В Европе уже используют препарат для генной терапии, например. Генно-инженерная вакцина для лечения диабета 1 типа прошла первую фауз клинических испытаний.
                            На животных так вообще массу всего испробовали в этом отношении.
                              0
                              Alexey2005 написал сторонний подход

                              Тут просто вполне логичные стены.

                              Видите ли, сингулярность намного важнее чем космос и термояд вместе взятые. Почему? Ну потому что при решении вопроса нашей супер-лопаты — ИИ и компьютерный супер-интеллект, остальные вопросы сами решатся. Например космос не только престиж, но больше стратегическое превосходство и новые ресурсы. А тоже электричество, хоть и кусается, но пока достаточно для достижения следующей цели.

                              Я думаю ИИ и сингулярность не то что «не за горами», а необходимость для дальнейшего развития.
                                +2
                                Я не верю в сингулярность.

                                Не вижу аргументов, почему она должна произойти, кроме того, что в неё хочется верить.

                                Мне кажется, что скорее, будет открыта нижняя оценка, почему ИИ в земных условиях недостижим, что-то похожее на принцип Ландауэра.

                                Что-нибудь в роде «человеческий мозг» — оптимален по размеру с точки зрения эффективности и сложности.
                                Но для ввода-вывода био мозга, видимо, найдутся нижние оценки по пропускной способности.

                                И всё.
                                  +2
                                  Сингулярность ключ к другим открытиям.

                                  Главный ресурс — это время — все остальное можно найти.
                                  Мы на таймере с самого рождения, поэтому технологическая сингулярность неизбежна и необходима для выживания нашего рода.
                                  ИИ решит множество проблем на которые мы тратим время. Более того, компьютерная логика намного эффективнее нежели человеческая, тем более в расчетах.

                                  А уж квантовые системы — вообще из разряда фантастики.

                                  Я думаю будущее — это люди в машинах делающие сто дел одновременно и путешествия в космос будут внутри машины, а не в био-теле.

                                  Пользование биологическим телом вообще будет не нужно.
                                  Решение проблем существования нашего рода ускорится в очень больших разрядах.
                                  Не нужно будет задумываться о еде и 'разгрузке' все это перейдет в разряд специалистики, как сейчас залезть на Эверест.
                                    +3
                                    Все эти мечты и мне очень нравятся.

                                    Но то, что они крутые — не значит, что они достижимые.
                                      0
                                      Не факт что через 30 лет как считает Курцвайл, но лет через 100 вполне возможно.
                                        +2
                                        Через 100 лет не только ишак, но и все остальные не увидят результатов такого прогноза.
                                        Вряд ли стоит что-либо прогнозировать на такой срок.
                                        Ведь на другие планеты мы сейчас не летаем, как считали 50 лет назад, того же термояда нет, подводных городов, да и летающих автомобилей тоже не предвидится, про ИИ разговор (среди специалистов, а не фантастов) идет тоже уже лет 40.
                                        А вот закон Мура работает.
                                      +2
                                      «Пользование биологическим телом вообще будет не нужно.» — я бы сказал иначе. Человек будет не нужным. Мы породим расу машин, и она продолжит эволюцию без нас. Своими стремительными, непостижимыми нам темпами. А человечество будет потихоньку деградировать где-нибудь в заповеднике. Техноинформационная сингулярность — это прежде всего непреодолимый барьер для биологических систем. Конечно, какое-то время ИИ будет нуждаться в нашей поддержке, будут процветать всевозможные киборги и прочее. Но в конце концов мы не угонимся за компьютерным мозгом, и вымрем, как динозавры.
                                        0
                                        Но разве есть принципиальное препятствие расширять свои возможности электроникой, в конце концов переселившись на технологический носитель? Те, кто откажется от этого сценария, дейстительно сойдут с обочины, не важно, кто подвинет человечество — ИИ или такие «расширенные» разумы.
                                  +1
                                  У биотеха сейчас фаза количественных наработок. Грубо говоря еще идет набор данных и техник, а потом тихо и незаметно бабахнет. Да в целом уже бабахает. Те же управляемые протезы.
                                  0
                                  Скорее бы, я уже устал постоянно учить новое и забывать старое.
                                    0
                                    Не хотите иметь престижную профессию на переднем рубеже технологий?
                                    Хотите, как токарь, всю жизнь точить одну и ту же деталь в разных вариациях на одном и том же станке?
                                    А где-то далеко крутые парни будут постоянно учить новое и забывать старое, но уже не в ИТ.
                                    +1
                                    Дальше фокус сместится на роботов, и человечество снова не дотянет до решения очередного вопроса (с сингулярностью).
                                      +3
                                      Думаю сингулярность таки наступит, ибо любое действо её приближает, будь то космонавтика иль биоинженерия или работа над созданием ИИ.
                                      +4
                                      Судя по всему, на очереди медицина.
                                        +2
                                        Я бы сказал шире — биология.
                                        +2
                                        Сомневаюсь, что это так. термоядерная гонка была очень насыщенная, и не привела к успеху потому что она не дала никаких ощутимых результатов. Думаю термояд был местами актуальнее, чем космос. Просто это сложная задача, не факт, что она вообще осуществима в том виде в котором о ней мечтают сейчас.
                                        то что кто-то занимается айти или космосом на термоядерную энергетику никак не влияет, потому что ни разработчики ракет, ни программисты никакого прямого отношения к постройке реакторов не имеют. Это совсем другие области.
                                          0
                                          Я бы сказал что то, что кто-то занимается айти влияет на термояд крайне положительно. На компьютерах считать таки куда удобнее и быстрее чем на бумажке, а строить компьютерные модели куда дешевле, чем настоящие.
                                            0
                                            Существующие проблемы физики — это проблемы математики, которая не в состоянии разработать матаппарат для обработки существующих теорий.
                                            Не помню откуда выражение, кажется, научпоп о единой теории всего.
                                            А разрабатывать новые подходы к снаряду — это не числа молотить, тут на голом интеллекте не выедешь. Возможно, ИИ нас выручит.
                                              +2
                                              Слышал и другое мнение — что физики только-только нашли как применить матаппарат сорокалетней давности и сегодняшние наработки смогут применить еще лет через сорок :)
                                          +1
                                          Закон убывающей полезности — после того, как основные результаты в области достигнуты, дальнейшее вкладывание ресурсов приводит ко все уменьшающейся отдаче. Грубо говоря, в 30-х для нового открытия в физике дотаточно было сильно подумать (утрирую) и сложить уран стопкой, то в наше время для минимального прогресса нужна международная команда ученых, многокилометровые туннели ускорителей под землей и миллиардные бюджеты.
                                            0
                                            Кстати, вот она эта точка и виднеется: Human Brain Project уже требует больше миллиарда евро, займёт десять лет и требует огромнейших мощностей.
                                              0
                                              Пока что закон Мура позволяет не впадать в панику по поводу мощностей и их цены.
                                                0
                                                Однако, в этой области как ни странно — наоборот. Десять лет назад первый геном расшифровали за десять лет, миллиарды долларов и огромнейших мощностей — сегодня это на неделю делов, стоимостью сотни баксов и мощности смешные по нашим временам. Аналогично и с мозговым проектом — первый такой, через десять лет будем тоже самое на мобильниках запускать.
                                                  0
                                                  Аналогично и с мозговым проектом — первый такой, через десять лет будем тоже самое на мобильниках запускать.
                                                  «А на Марсе яблони зацветут». Впрочем, посмотрим, лично я надеюсь, что вы правы.
                                                    0
                                                    Ключевые слова — «то же самое» (только на мобильнике).
                                                    Сейчас-то проекты «супермозгов» ничего сверхестественного не показывают.
                                                      0
                                                      Ну, с Марсом, кроме мечт особо и не было ничего, а в био- и информационных технологиях прогресс экспоненциальный и только набирает темп.
                                                0
                                                Не согласен, вы так говорите как будто лучшие умы ведомы точной фокуса, но это не так — человек тоже имеет слово в выборе жизненного пути, и сейчас в той же физике много блестящих умов, просто сложность задач растет чуть-ли не экспотенциально и каждый новый рубеж сложнее предыдущего.
                                                  +1
                                                  Количество тоже важно. Подумать только, что если бы 10 млн. программистов, которые в деталях изучили jQuery или Hibernate, вместо этого потратили время на развитие физики, были бы в курсе всех последних достижений в своей нише, развивали бы науку вместе, опираясь на результаты друг друга, как сейчас эволюционируют концепции в программировании.

                                                  И какой-нибудь гениальный ум, вместо того, чтобы возводить воздушные замки из шаблонов c++11, подружил бы квантовую механику с теорией относительности.
                                                    0
                                                    При этом 9 миллионов, которые предпочли jQuery только потому, что не нужно изучать Javascript — не продвинули бы физику. Скорее эти люди занимались бы другой рутинной технической работой — обслуживали ЧПУ приборы или что-то подобное — обслуживали науку, но не двигали вперёд. Это взаимозаменяемые люди (не принижая роли и достоинства взаимозаменяемых людей) и я уверен, в других сферах таких профессионалов не сильно убавилось, просто на них нет такого бума, а им в свою очередь, просто всё равно, чем заниматься. Однако же сфера IT просто не могла не развиваться и не будь на ней фокуса — тот миллион, который здесь действительно по призванию — он был бы именно здесь, возможно с меньшим окладом, на менее грандиозных проектах, не на революционном перевале парадигм, но именно здесь. Впрочем, история не любит сослагательного наклонения и более чем вероятно, что мы далеки от объективных суждений, не изучив дотошно проблему.
                                                +7
                                                Мда. Как-то мне попалась в руки научно-популярная книжка годов 70х, в которой обещалось, что советские учёные сделают УТС еще через лет 10.

                                                На эту тему сразу вспоминается исторический анекдот про руководителя английской термоядерной программы сэра Джона Кокрофта, лауреата Нобелевской премии. Журналисты его спросили, когда же можно ожидать промышленной реализации термоядерной энергетики, он ответил: «Через двадцать лет». Семь лет спустя на аналогичной конференции Кокрофту вновь был задан тот же вопрос, на который последовал прежний ответ: «Через двадцать лет». А когда удивленные журналисты воскликнули: «Но, позвольте, это же вы говорили и семь лет назад!», невозмутимо возразил: «Вы видите, я не меняю своей точки зрения».
                                                  0
                                                  Там больше проблема в сложности УТС. Попробовали сделать ловушку, вроде бы работает, но ловушка не стабильна. Для увеличения стабильности надо грубо говоря более совершенную ловушку. Вот ее и пилят, так-как а там получается что надо новые материалы, новые подходы и т.п. А потом БАЦ и сделают, но для обычного человека это будет точно такой обыденный факт, как ядерный реактор на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем.
                                                  –2
                                                  отказаться бы вообще от этой оболочки
                                                    +4
                                                    Как? Она же для сжатия предназначена.
                                                      –3
                                                      да понятно что, в такой конструкции то и никак, но использование золота и загрязнение топлива это конечно не очень хорошо. Я бы подумал как бы использовать эффект кавитанции произведённую этими лазерами, там тоже сжатие может быть невообразимо большим
                                                    +2
                                                    Вот именно по этому (от осознания реальных трудностей, что стоят перед инженерами) терпеть не могу современную ширпотребную «фантастику» про бизнесмена, собравшего на коленке термоядерный реактор и как она обесценивает в умах обывателей сложность такого рода разработок.
                                                      +4
                                                      Да, абсурдно, конечно, но это же комиксы, а не научная фантастика.
                                                        +8
                                                        Хм, я наоборот упомянутый фильм воспринимал как неизбежное следствие будущего, тоесть то что лет 30 назад казалось сложной инженерной задачей, теперь простой школьник может сделать на коленке из ардуинки и пары проводов. Возможно и у Старка был некий скетч для холодного синтеза и оставалось всего лишь слепить 3 детальки в одно устройство, тоесть просто набралась критическая масса знаний и ГГ собственно на их основе и сорвал куш, так сказать. Действо вроде как в будущем происходит.
                                                          +3
                                                          Мне коллега по бывшему уже офису то же самое сказал.
                                                        +7
                                                        Хотя эти результаты — важная веха на пути к термоядерной энергетике, до практического применения пока ещё очень далеко.


                                                        Я видел это приписку в статьях о термояде когда это еще не стало мейнстримом.
                                                          +2
                                                          Смотрел раньше по начам передачу Гордона. Там он приглашал двух ученых и те спорили и обсуждали тему. Один раз была передача про термояд. Меня впечатлила идея холодного ультразвукового синтеза. Губка со сферическими полостями наполняется дейтрием или тритием, облучается звуковой волной и от сфер в центр полостей идет звуковая волна. Когда волна сходится в точку, то происходит меленький взрыв, что якобы должно давать среднюю температуру по больнице губке 120-700 градусов.

                                                          Представте, что это возможно! Эра стимпанка, и паровых котлов! сел в машину, запустил термояд. прогрел котел, ту ту поехал.

                                                            +1
                                                            Интересно, что за «Low foot» и «High foot» на иллюстрации
                                                              –4
                                                              Каждые 14 миллиардов лет ученые делают важный шаг на пути к лазерному термоядерному синтезу…

                                                              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                              Самое читаемое