Лазерните светкавици запалват слънчевия огън

Актуализирано: 01/19/19 - 17:33

Вакуумната камера е с диаметър десет метра.

Изследователите искат да използват ядрен синтез за генериране на неутрална за климата енергия. Все още обаче трябва да се извърви дълъг път, преди да може да се използва за производство на електричество. Критиците на проекта смятат, че привидният интерес е чисто военен.

От Фалк Дамбовски

Изследователите седят концентрирани пред екраните. Последен поглед към дисплеите, казва: запалване. Най-голямата лазерна машина в света започва да работи. Малък лазерен импулс се люлее през усилвателите, за да образува огромна лазерна вълна, която се излъчва от всички страни в центъра на десетометрова стоманена топка. Там във вакуум натрупаната енергия удря малка топка водород и я компресира до 20 пъти плътността на оловото. Целта: Водородните ядра трябва да се слеят, за да образуват хелий - и в процеса да отделят енергия в изобилие.

Огромният лазерен експеримент, който ще запълни площад „Свети Петър“ в Рим, е в спокойния Ливърмор, Калифорния, от 2009 г. насам. Националният механизъм за запалване (NIF), чието изграждане струва 3,5 милиарда долара, е мека за изследване на лазерния синтез. Тук учените наскоро разкриха най-мощния лазерен изстрел в света. С върхова мощност от 500 трилиона вата, хиляда пъти повече енергия, отколкото са необходими на САЩ за една секунда, те постигнаха върха на своите изследвания досега. „Лазерът вече работи напълно, точно както беше планирано преди 20 години“, гордо обяви Ед Мойсей, ръководител на NIF.

Замразените водородни атоми, прецизно оформени в сфери с диаметър два милиметра, се поставят в куха златна горивна камера с размери само девет милиметра. С помощта на гигантския лазер водородът трябва да се компресира в горивната камера, докато се запали при температура от 100 милиона градуса и се слее, за да образува по-тежки хелиеви атоми.

Сливането като диета за атоми

В момента ядрените изследователи от NIF работят по подобрен метод: бързо запалване. UV лазерната светлина се изстрелва в златния кух цилиндър от двете страни. Вътрешната стена се загрява и преобразува лазерната светлина в интензивни рентгенови лъчи. Вътре в малкия цилиндър рентгеновите лъчи компресират водородната капсула. Не е достатъчно бавно движение, за да се покаже скоростта на този процес: водородът в лазерния фокус се компресира до гореща плазма само за 100 милиарда от секундата, 10 пикосекунди. „Допълнителни лазери с къси импулси могат да запалят искрата на пламъка в сгъстено топче в този момент“, каза физикът Андреас Кемп, обяснявайки бързото запалване в сп. Spektrum der Wissenschaft. Той е един от малкото немски учени, участващи в проекта NIF.

Ако синтезът успее, водородните атоми се сливат по двойки, образувайки хелий. Това е като диета за атомите. Губите маса, която се превръща в енергия, според формулата на Айнщайн: E = mc2. Един грам термоядрено гориво съдържа енергията от 12,3 тона твърди въглища. „Внасяме звездния огън в лабораторията“, възторжен е Ед Моузес. А колегата му Рикардо Бети, директор на Центъра за наука за синтез в университета в Рочестър (Ню Йорк), казва ентусиазирано: „За мен лазерът е звездата на проекта.“ Бързото запалване ще бъде тествано за първи път през следващата година.

Колкото и да е еуфорично настроението сред учените в момента, перспективите за ранно използване за производство на електроенергия са заглушени. Препятствията за прехвърляне на концепцията за гигантска лазерна стрелба в малки сфери в непрекъсната рутинна работа все още са твърде големи. Желаният принцип на електроцентралата не звучи много революционно: ядреният синтез отделя топлина, която трябва да се преобразува в електричество с помощта на турбини.

„Най-голямото предизвикателство за реактора за лазерен синтез е високата честота на повторение на имплозиите, които биха били необходими за търговска употреба“, казва Кемп. „Ще са необходими десет капсули с гориво в секунда или един милион на ден.“ За сравнение, NIF все още се нуждае от около шест часа време за стартиране за един лазерен изстрел. Освен това все още не е достатъчно изяснено как изключително високоенергийните неутрони, възникващи като продукт на ядрен синтез, могат да бъдат ефективно уловени. И въпросът за достатъчно производство на гориво също е проблем.

„Повърхностният интерес на изследванията с лазерен синтез е чисто военен“, казват критици на проекта като физикът Волфганг Либерт, говорител на интердисциплинарната работна група по наука, технологии и безопасност (Ianus) в TU Дармщат. "Лазерният изстрел за компресиране и сливане на двумилиметрова водородна сфера е като мини бомба в лаборатория."

Гореща водородна плазма като конкуренция

Всъщност изграждането на НИФ е военно финансирано и мотивирано. Проектът се контролира от Националната агенция за атомна енергия на САЩ. Единият не само разследва гражданското използване на ядрен синтез. „Изследователите от NIF също искат да разберат по-добре физическите процеси, свързани с експлозията на водородна бомба“, казва Либерт. От 5 август 1963 г. има международно споразумение за спиране на тестовете за ядрено оръжие. В резултат на това американски изследователи търсеха алтернативи за по-нататъшно развитие на технологията си за ядрено оръжие. Подходящо беше, че американският физик Теодор Майман изобрети първия лазер през 1960 година. Оттогава учените от калифорнийската Национална лаборатория Лорънс Ливърмор (LLNL), която сега включва NIF, работят по идеята за миниатюризиране на тестовете на атомни бомби с помощта на лазери. През 1972 г. американският физик Джон Нуколс и колегите му за първи път публикуват идеите си за лазерно ядрено сливане, посочвайки перспективата за гражданска употреба. Комбинацията от военни изследвания и цивилна мотивация се е запазила и до днес.

Във Франция близо до Бордо в момента се изгражда Laser Mégajoule (LMJ), система, която е толкова мощна, колкото американската NIF. Най-голямата конкуренция за американски лазерен синтез обаче идва от колеги изследователи с различна концепция. Алтернативният метод на синтез, предпочитан от повечето учени, включва ограничаване на гореща водородна плазма в силни магнитни полета.

Първият ядрен синтез в лабораторията е постигнат още през 1991 г. със Съвместния европейски торус (JET). Следващото поколение на така наречената технология токамак, Международният термоядрен експериментален реактор (Iter), в момента се изгражда в Кадараш в южната част на Франция. Мамутният проект, чиято цена се изчислява на около 15 милиарда евро, е да генерира толкова енергия за синтез за първи път от 2026 г., колкото е необходимо за плазменото отопление. По-малкият тестов реактор Wendelstein 7-X трябва да влезе в експлоатация в Грайфсвалд още през 2014 г.

Въпреки препятствията и ангажираната конкуренция на техните научни колеги, изследователите на NIF в Ливърмор в живописния залив на Сан Франциско остават уверени: „В рамките на дванадесет години от запалването на лазерния синтез за пръв път пилотна електроцентрала може да заработи“, каза един Проучване от LNLL. Запалването трябва да успее през следващата година.