Ученые развернули термоядерную реакцию наоборот — и она ускорилась

Вопрос о том, что делать в первую очередь — подогревать топливо или сжимать его, долгое время оставался открытым. Исследователи в области ядерной физики до сих пор придерживались подхода, при котором сначала создавалось высокое давление в зоне реакции, а затем происходил разогрев топлива. Однако в лаборатории квантовой физики Принстона было установлено, что реакция запускается более эффективно, если поменять эти этапы местами. Об этом пишет TechInsider.

На протяжении семидесяти лет разработок термоядерного синтеза физики использовали один и тот же математический закон для определения температуры и давления, необходимых для достижения самоподдерживающейся термоядерной реакции. Это уравнение, известное как критерий Лоусона, описывает условия, но не указывает, как их достичь наиболее оптимальным образом.

На днях лаборатория физики плазмы Принстонского университета объявила о том, что трое ее сотрудников нашли решение этого вопроса. Результаты их работы были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Если вы не следили за последними достижениями в области термоядерной физики, стоит ознакомиться с текущими событиями, такими как:

- Новая технология плавления алмазов может увеличить выход энергии в термоядерных установках в три раза.
- Китайский термоядерный реактор поддерживал реакцию более 1000 секунд.
- Прогнозы о том, что через 16 лет начнется эра термоядерной энергетики.
- Переход через седловину Корди помогает сэкономить энергию.

Соавтор исследования Луис Дельгадо-Апарисио сравнивает свое открытие с поиском простого пути через горный хребет. Энергия, необходимая для запуска термоядерной реакции, подобна рельефу гор. Традиционные методы синтеза предполагают попытку подняться прямо через вершину, сначала увеличивая плотность плазмы, а затем разогревая ее.

Однако новые расчеты показали, что более эффективным является обратный подход: сначала нагреть плазму, а затем сжимать ее. Это позволяет избежать пика затрат энергии.

Если визуализировать этот математический закон, получится поверхность с седловиной, названная седловиной Корди в честь британского физика Джона Корди, который внес значительный вклад в развитие термоядерного синтеза. Если нагрев и сжатие плазмы проходят через эту седловину, суммарные затраты энергии оказываются минимальными.

Для сравнения различных способов достижения рабочей температуры реактора ученые использовали величину, известную как фактор усиления мощности термоядерной реакции Q. Это соотношение мощности, выделяемой в результате реакции, к мощности, затрачиваемой на внешний нагрев. В идеальной плазме, состоящей из чистого топлива, проход через седловину Корди обеспечивает Q=5. В реальных термоядерных системах этот показатель значительно ниже из-за различных помех.

Конструкцию токамака, одного из типов термоядерных установок, придется пересмотреть. В настоящее время многие команды разработчиков по всему миру делают ставку на токамаки и стеллараторы, которые используют сильные магнитные поля для удержания плазмы во время нагрева. Судя по последним новостям, прогресс в создании работающих токамаков значительно увеличился.

Для того чтобы коммерческая термоядерная энергетика стала реальностью, необходимо преодолеть множество сложностей. Результаты исследований ученых из Принстона могут повлиять на то, как будет устроено новое поколение термоядерных установок. Главное новшество этого исследования заключается в том, что физические процессы рассматриваются в взаимосвязи, а не изолированно, как это делалось в более ранних работах.

При этом исследователи учли четыре практических фактора, которые могут повлиять на достижение плазмой точки зажигания и ее поддержание: накопление отходов гелия в зоне реакции, загрязнение плазмы примесями, синхротронное излучение и потери тепла. Учет этих эффектов позволяет получить более реалистичную картину необходимых условий. Соавтор работы Масаюки Оно отметил, что термоядерные эксперименты требуют огромных затрат, и никто не хочет допускать ошибок, которые можно было бы избежать заранее.