Физики нашли более эффективный способ достичь термоядерного зажигания

Исследователи из Принстонского университета нашли способ облегчить достижение термоядерного зажигания — режима, при котором реакции синтеза в плазме высвобождают столько энергии, что плазма сама поддерживает высокую температуру и не нуждается в постоянном внешнем подогреве. Согласно расчётам, выгоднее сначала разогреть плазму, а уже потом повышать её плотность, а не поступать наоборот. Итоги работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Чтобы получать энергию из термоядерного синтеза, нужно воспроизвести земными средствами процесс, лежащий в основе жизни Солнца: лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые и при этом выделяют энергию. Одно из главных препятствий — добиться зажигания, то есть состояния, в котором энергии реакций хватает на то, чтобы плазма удерживала нужную температуру.

Основой исследования стал критерий Лоусона — свод условий, сформулированный ещё в 1950-е годы и описывающий, что необходимо для поддержания термоядерной реакции. Авторы расширили расчёты четырьмя факторами, влияющими на энергетический баланс плазмы: накоплением гелия как продукта реакции, загрязнением плазмы материалом стенок реактора, потерями энергии на синхротронное излучение и утечкой тепла. Эти явления изучались и прежде, но теперь их впервые объединили в рамках единой модели, что позволило точнее определить условия зажигания.

Кроме того, расчёты обнаружили возможную серьёзную проблему, связанную с вольфрамом. Этот металл рассматривают как материал для стенок будущих термоядерных установок из-за его исключительной жаростойкости, но даже малое количество вольфрама в плазме способно прервать реакцию. Следовательно, при проектировании реактора необходимо исключить попадание этого металла в плазму.

В то же время часть процессов, мешающих запуску синтеза, после его начала может способствовать стабилизации реакции. Моделирование продемонстрировало, что излучение и утечка тепла служат своего рода естественными ограничителями плазменных процессов, хотя и затрудняют достижение зажигания.

Пока исследование носит чисто теоретический характер: авторы не испытывали предложенный подход на экспериментальном реакторе. Тем не менее полученные результаты помогут точнее подбирать параметры будущих установок, оценивать вероятность зажигания и учитывать факторы, способные нарушить работу реактора. По мере того как термоядерные исследования переходят от опытов с горящей плазмой к созданию энергетических станций, подобные расчёты способны уменьшить число ошибочных проектных решений и снизить затраты на разработку.

Источник: iXBT