Lawrence'o Livermore'o nacionalinės laboratorijos (LLNL) mokslininkai pasiekė sintezė uždegimas ir energija lūžio. 5 dienąth 2022 m. gruodžio mėn. tyrėjų komanda atliko kontroliuojamą branduolių sintezės eksperimentą naudodama lazerius, kai 192 lazerio spinduliai perdavė daugiau nei 2 milijonus džaulių UV energijos į mažą kuro granulę kriogeninėje tikslinėje kameroje ir pasiekė energijos lūžio balansą, o tai reiškia, kad sintezės eksperimentas pagamino daugiau energijos nei suteikia lazeris jį vairuoti. Šis lūžis buvo pasiektas pirmą kartą istorijoje po dešimtmečius trukusio sunkaus darbo. Tai svarbus mokslo etapas ir turi reikšmingų pasekmių švarios branduolių sintezės energijos perspektyvai ateityje, kuriant grynojo anglies dioksido išmetimo ekonomiką, kovojant su klimato kaita ir branduolinio atgrasymo priemone, netaikant branduolinių bandymų krašto gynybai. Anksčiau, 8 dth2021 m. rugpjūčio mėn. tyrėjų komanda pasiekė sintezės užsidegimo slenkstį. Eksperimentas pagamino daugiau energijos nei bet kuris kitas ankstesnis sintezės eksperimentas, tačiau energijos lūžio nebuvo pasiektas. Naujausias eksperimentas, atliktas 5 dth 2022 m. gruodžio mėn. pavyko pasiekti energijos lūžio, taip pateikdamas koncepcijos įrodymą, kad kontroliuojama branduolių sintezė gali būti panaudota energijos poreikiams patenkinti. Praktinis komercinis branduolių sintezės energijos panaudojimas vis dar gali būti labai toli.
Branduolinis reakcijos duoda didelius energijos kiekius, lygiaverčius prarastos masės kiekiui, pagal masės ir energijos simetrijos lygtį E=MC2 Einšteino. Branduoliniuose reaktoriuose energijos gamybai šiuo metu naudojamos dalijimosi reakcijos, susijusios su branduolinio kuro branduolių (radioaktyvių elementų, tokių kaip uranas-235) skilimas. Tačiau branduolio dalijimosi reaktoriai kelia didelį pavojų žmonėms ir aplinkai, kaip matyti Černobylio atveju, ir yra žinomi dėl pavojingų radioaktyviųjų atliekų, kurių pusinės eliminacijos laikas yra labai ilgas ir kurias labai sunku pašalinti.
Gamtoje žvaigždės kaip mūsų saulė, branduolio sintezė Mažesnių vandenilio branduolių susijungimas yra energijos gamybos mechanizmas. Branduolio sintezei, skirtingai nei branduolio dalijimuisi, reikalinga itin aukšta temperatūra ir slėgis, kad branduoliai galėtų susijungti. Šis itin aukštos temperatūros ir slėgio reikalavimas yra tenkinamas saulės šerdyje, kur vandenilio branduolių sintezė yra pagrindinis energijos gamybos mechanizmas, tačiau atkurti šių ekstremalių sąlygų žemėje iki šiol nebuvo įmanoma kontroliuojamomis laboratorinėmis sąlygomis ir dėl to branduolių sintezės reaktoriai dar nėra realybė. (Vandenilinio ginklo principas yra nekontroliuojama termobranduolinė sintezė esant ekstremalioms temperatūroms ir slėgiui, atsirandančiam suveikiant dalijimosi įtaisui).
Tai buvo Arthuras Eddingtonas, kuris dar 1926 m. pirmą kartą pasiūlė, kad žvaigždės semtų energiją iš vandenilio sintezės į helią. Pirmasis tiesioginis branduolių sintezės demonstravimas buvo atliktas laboratorijoje 1934 m., kai Rutherfordas parodė deuterio susiliejimą į helią ir pastebėjo, kad proceso metu buvo sukurtas didžiulis poveikis. Atsižvelgiant į didžiulį potencialą tiekti neribotą švarią energiją, viso pasaulio mokslininkai ir inžinieriai dėjo pastangas atkartoti branduolių sintezę Žemėje, tačiau tai buvo sudėtinga užduotis.
Esant ekstremalioms temperatūroms, elektronai atsiskiria nuo branduolių, o atomai tampa jonizuotomis dujomis, sudarytomis iš teigiamų branduolių ir neigiamų elektronų, vadinamų plazma, kurios tankis yra milijoną kartų mažesnis už orą. Tai daro sintezė aplinka labai niūri. Kad branduolių sintezė vyktų tokioje aplinkoje (kuri galėtų duoti daug energijos), turi būti įvykdytos trys sąlygos; turi būti labai aukšta temperatūra (kuri gali išprovokuoti didelės energijos susidūrimus), turi būti pakankamas plazmos tankis (kad padidėtų susidūrimų tikimybė), o plazma (kuri turi polinkį plėstis) turi būti uždaryta pakankamai ilgai įjungti sintezę. Dėl šios priežasties infrastruktūros ir technologijų, skirtų karštai plazmai sulaikyti ir valdyti, plėtra yra pagrindinis dėmesys. Stiprūs magnetiniai laukai galėtų būti naudojami kovai su plazma, kaip ir ITER Tokamako atveju. Inercinis plazmos uždarymas yra dar vienas būdas, kai kapsulės, užpildytos sunkiais vandenilio izotopais, susmulkinamos naudojant didelės energijos lazerio spindulius.
NIF Lawrence'o Livermore'o nacionalinėje laboratorijoje (LLNL) atlikti branduolių sintezės tyrimai taikė lazeriu valdomus sprogimo būdus (inercinio uždarumo sintezę). Iš esmės milimetro dydžio kapsulės, užpildytos deuteriu ir tričiu, buvo susmulkintos didelės galios lazeriais, generuojančiais rentgeno spindulius. Kapsulė įkaista ir virsta plazma. Plazma įsibėgėja į vidų, sukurdama ekstremalias slėgio ir temperatūros sąlygas, kai kapsulėje esantis kuras (deuterio ir tričio atomai) susilieja, išskirdamas energiją ir keletą dalelių, įskaitant alfa daleles. Išsiskyrusios dalelės sąveikauja su supančia plazma ir ją toliau kaitina, o tai sukelia daugiau sintezės reakcijų ir daugiau „energijos bei dalelių“, taip sukuriant savaime išsilaikančią sintezės reakcijų grandinę (vadinamą „sintezės uždegimu“).
Branduolinės sintezės tyrimų bendruomenė kelis dešimtmečius bandė pasiekti „sintezės uždegimą“; savaime išsilaikanti sintezės reakcija. 8 dienąth 2021 m. rugpjūčio mėn. Lawrence'o laboratorijos komanda pasiekė „sintezės uždegimo“ slenkstį, kurį pasiekė 5 d.th 2022 m. gruodžio mėn. Šią dieną valdomas sintezės uždegimas Žemėje tapo realybe – pasiektas mokslo etapas!
***
