Получение чистой энергии с лазерным излучением в плазме

Активируя релятивистские эффекты интенсивного лазерного излучения в плазме, исследователи тестируют новый метод достижения последовательного ядерного синтеза

Быстрое зажигание (FI - fast ignition) является многообещающим подходом для инерциального ядерного синтеза с высоким коэффициентом усиления. Чтобы этого добиться, энергия короткоимпульсного лазера должна эффективно доставляться в предварительно сжатый топливный сердечник с помощью высокоэнергетического электронного пучка. Поэтому понимание переноса энергии и энерговыделения этого электронного пучка является ключом для FI. Энергетические электронные пучки, создаваемые лазерно-плазменным взаимодействием, являются эффективным источником ускорения частиц, особенно для развития лазерного инерциального термоядерного синтеза.

Группа исследователей из Университета Осаки продемонстрировала новый метод генерации энергии с помощью ядерного синтеза. Они показали преимущества релятивистского эффекта сверхинтенсивного лазерного излучения по сравнению с другими методами FI. Эти результаты могут послужить началом интенсивного развития ядерного синтеза, открывая новую эру безуглеродного производства энергии.

Современная ядерная энергетика использует деление тяжелых изотопов, таких как уран, на более легкие элементы для производства энергии. Однако, с этим возникают серьезные проблемы, такие как утилизация отработанного топлива и риск расплавления активной зоны реактора. Многообещающей альтернативой делению является ядерный синтез. Как и все звезды, наше солнце питается от слияния легких изотопов, в частности, водорода, в более тяжелые элементы. Синтез имеет множество преимуществ по сравнению с делением, таких как отсутствие опасных отходов или риска возникновения неконтролируемых ядерных реакций.

Однако, получение энергии от реакции синтеза свыше той, которая была затрачена на ее поддержание, оставалось труднодостижимой целью. Это связано с тем, что ядра водорода сильно отталкиваются друг от друга, и для осуществления синтеза необходимы экстремальные температуры и давление, сопоставимые с теми, которые находятся внутри Солнца.

В одном из методов, называемом «инерционным удержанием», лазерные импульсы с чрезвычайно высокой энергией используются для нагрева и сжатия топливного сердечника. К сожалению, этот метод требует чрезвычайно точного контроля энергии лазера, чтобы все волны сжатия достигали центра одновременно.

Новый модифицированный метод для инерционного удержания, который можно выполнить более последовательно, использует второй лазерный импульс. При быстродействующем сверхпроникающем зажигании второй лазер генерирует быстрые электроны в плотной плазме, которые нагревают ядро во время сжатия, вызывая синтез. «Используя релятивистское поведение высокоинтенсивного лазера, энергия, направленная на зажигание, может быть надежно доставлена топливу в разогретой плазме».

Топливо для этого метода, которое обычно представляет собой смесь изотопов водорода дейтерия и трития, легче получить, чем уран, после синтеза становится безвредным гелием.

 

Источник: Utilizing relativistic effects for laser fusion: A new approach for clean power

 

Связанная статья: https://doi.org/10.1038/s41467-019-13574-8