Учёные, возможно, нашли короткий путь к термоядерной энергии

Физики Лаборатории физики плазмы Принстона (PPPL) Министерства энергетики США Луис Дельгадо-Апарисио, Масаюки Оно и Джонатан Менард заявили о возможном обнаружении значительно более эффективного пути к термоядерному зажиганию. Их расчёты показывают, что изменение последовательности операций — сначала нагрев плазмы, а затем увеличение её плотности — способно резко сократить энергию, необходимую для достижения самоподдерживающейся термоядерной реакции. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Более семидесяти лет исследователи опирались на критерий Лоусона — математическое правило, определяющее условия сохранения плазмы достаточно горячей и плотной для поддержания синтеза без внешнего нагрева, но не объясняющее наиболее эффективный способ их достижения. Учёные PPPL создали более полную версию критерия, добавив четыре фактора: накопление гелиевой золы, загрязнение плазмы примесями, синхротронное излучение электронов и потери тепла. Дельгадо-Апарисио сравнил поиск пути с маршрутом через горный хребет: вместо прямого штурма пика с огромными затратами энергии эффективнее обойти его через седловину. Ключевая область математического ландшафта названа седлом Кордея — доступной точкой на границе между плазмой, нуждающейся во внешнем нагреве, и самоподдерживающейся плазмой; в идеализированном случае она соответствует значению Q около 5. Отдельно отмечено, что загрязнение вольфрамом в концентрации всего одна часть на 10 000 способно примерно удвоить давление, необходимое для зажигания, а при переходе расчётов от двумерной модели к трёхмерной требуемое давление может превысить пределы устойчивости плазмы. Неожиданно выяснилось, что потери энергии, затрудняющие зажигание, одновременно противодействуют тепловой неустойчивости «разгона» и могут помочь горящей плазме стабильно работать без постоянных корректировок.

Результаты могут повлиять на проектирование двух основных типов магнитных термоядерных устройств — токамаков и стеллараторов, а также помочь инженерам избежать дорогостоящих ошибок при строительстве реакторов. В качестве возможных решений названы покрытие внутренних стенок жидким литием, препятствующим попаданию вольфрама в плазму и снижающему потери тепла, и использование спин-поляризованного топлива с выровненными спинами атомных ядер для повышения скорости реакции. При этом предложенный подход пока не подтверждён экспериментально: существующие установки не достигали температур, соответствующих седлу Кордея. Команда PPPL планирует проверить расчёты с помощью цифровых экспериментов и компьютерного моделирования; по словам Менара, хотя необходимы дальнейшие исследования, результаты выглядят обнадёживающе и указывают ясный путь для будущих работ. Исследование поддержано Управлением науки Министерства энергетики США в рамках контракта DE-AC02-09CH11466 и ряда программ по физике термоядерной энергии.