Физики впервые нашли кратчайший путь к получению энергии термоядерного синтеза

Фото из открытых источников

Солнце, расположенное в центре нашей Солнечной системы, является прекрасной рекламой термоядерного синтеза: сверхвысокие температуры и давления в совокупности приводят к слиянию ядер водорода в ядра гелия, высвобождая при этом огромное количество энергии.

Если нам удастся воспроизвести аналогичные реакции на Земле, ядерный синтез потенциально может произвести революцию в области получения обильной, безуглеродной энергии, но воссоздание звезды в научной лаборатории оказывается столь же сложной задачей, как и можно было ожидать.

Теперь ученые из Принстонского университета опубликовали в журнале Physical Review Letters исследование, в котором подробно описывается, как мы можем быстрее достичь ядерного синтеза. В нем изложен, по сути, упрощенный путь к так называемому зажиганию, при котором плазма может поддерживать необходимый уровень температуры за счет собственных реакций синтеза.

К счастью для тех, кто не разбирается в физике, исследователи приводят аналогию. Если воспламенение — это долина за горным хребтом, то их новая идея состоит в том, чтобы обойти горы, а не пытаться преодолеть их вершину.

«Многие компании стремятся покорить эту вершину, тратя на это огромные усилия», — говорит физик Луис Дельгадо-Апарисио. «Лучше обойти вершину. Так вы доберетесь до того же места гораздо более экономичным способом и потратите гораздо меньше энергии».

Данное исследование основано на расширенной версии критерия Лоусона. Разработанный в 1950-х годах, он устанавливает рамки и правила, необходимые для запуска реактора.

В данном случае исследователи добавили к расчетам еще четыре фактора, учитывающие отработанное топливо в виде гелиевой золы, примеси плазмы со стенок реактора, потери излучения, известные как синхротронное излучение, и тепло, выделяемое плазмой.

Эти факторы, влияющие на воспламенение, изучались и раньше, но не в совокупности. Цель заключалась в том, чтобы получить более реалистичное и точное представление о том, как должна быть сконфигурирована реакторная установка.

«Когда вы исключаете эти эффекты, вы говорите, что дизайн и так будет работать хорошо, — говорит Масаюки Оно. — Но когда вы их добавляете, картина меняется, и это становится очень важным».

Исследователи искали то, что математики называют седлом Кордея: путь к зажиганию (долина за горами), требующий наименьшего количества энергии. Расчеты показали, что сначала нагрев плазмы, а затем увеличение ее плотности — наилучший способ, а не наоборот.

В ходе исследования были получены и другие результаты, указывающие на то, что даже очень небольшое количество вольфрама может привести к сбою термоядерного синтеза. Поскольку этот металл планируется использовать в стенках нескольких планируемых реакторов, и он очень хорошо выдерживает высокие температуры, плазму необходимо будет надежно защитить от его воздействия.

Команда также обнаружила некоторые естественные «тормоза» для ядерного синтеза. Модели показали, что излучение и утечка тепла могут поддерживать стабильность плазменных реакций, хотя и затрудняют зажигание на начальном этапе.

«По мере того как исследования в области термоядерного синтеза продвигаются от экспериментов с горящей плазмой к производству электроэнергии в реакторных масштабах, представленная концепция обеспечивает своевременную основу для оценки доступности зажигания, стабильности и производительности устройств следующего поколения», — пишут исследователи.

Данное исследование не включало в себя никаких реальных испытаний или экспериментов, но, учитывая, что в настоящее время разрабатываются и проектируются многочисленные термоядерные реакторы, полученные результаты должны повысить шансы этих электростанций на успех и потенциально сэкономить много времени и денег на разработке.

Мнения экспертов расходятся относительно того, сколько времени потребуется для запуска термоядерных реакторов — если это вообще когда-либо возможно, — но это исследование показывает реальный путь к достижению цели. Наряду с другими недавними достижениями, это означает, что мы как никогда близки к термоядерному синтезу.

«Хотя необходимы дополнительные исследования, мы воодушевлены этими результатами, и они указывают на четкий путь для будущих исследований в этой области», — говорит физик Джонатан Менар.