Рекорд эффективности термоядерного синтеза побили в миниатюрном реакторе

Физики из Университета Рочестера достигли с помощью установки OMEGA условий, которые позволят в пять раз побить существующий рекорд энергии, выделяемой в инициируемой лазерами термоядерной реакции. Для этого потребуется масштабировать эксперимент до размеров другого известного реактора — NIF (National Ignition Facility), которому и принадлежит рекорд. Интересно, что ученым удалось добиться такого результата с помощью методики, отличающейся от методик эксперимента NIF. По словам авторов, полученное давление плазмы (если его масштабировать до параметров NIF) всего в два раза меньше, чем требуется для «поджига» термоядерной реакции. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, его теоретическая интерпретация опубликована в журнале Physical Review E (R), кратко о нем сообщает пресс-релиз университета.

Термоядерная реакция — высокоэнергетический процесс, в ходе которого одни ядра превращаются в другие. Как правило этот процесс сопровождается выделением энергии, однако для того, чтобы он начался, необходимо преодолеть электростатическое отталкивание между положительно заряженными ядрами. В звездах это достигается за счет очень большой плотности вещества, обеспечиваемой гравитацией. Ученые пытаются создать условия для запуска самоподдерживающейся термоядерной реакции на Земле, но до сих пор эти попытки не были успешны.

На сегодняшний день известны два основных способа генерации энергии от термоядерных реакций — непрерывный и импульсный. Они оба требуют временного удержания плазмы с температурой в несколько миллионов градусов. Главный эксперимент по импульсным реакторам проходит в США на базе NIF, или Национального комплекса лазерных термоядерных реакций. С помощью 192 лазеров ученые «обстреливают» мишень в золотой капсуле-хольрауме. Генерируемое при этом вторичное рентгеновское излучение сжимает смесь дейтерия и трития, обеспечивая огромное давление. В 2014 году NIF впервые добился того, что саморазогрев смеси выделил в полтора раза больше энергии, чем было поглощено мишенью. Если физикам удастся достичь условий «поджига», то это соотношение возрастет почти в сто раз. Для этого нужны давления в три раза превосходящие давление в центре Солнца.

Подход NIF носит название косвенного — лазерное излучение сначала конвертируется в рентгеновское и лишь потом взаимодействует со смесью. В Университете Рочестера ученые используют прямой подход и сжимают дейтерий и тритий напрямую. Как отмечают физики, этот процесс очень похож на попытку равномерно сжать воздушный шарик — если сжимающие силы будут распределены неравномерно, то некоторые области шарика начнут «выпячиваться». Эксперимент OMEGA, в котором реализуют прямой подход, меньше, чем NIF, и использует 60 лазеров. 

Новая работа показала, что прямой подход может быть не менее эффективен, чем косвенный. Ученые добились давлений в плазме в 50 миллиардов атмосфер, что, как показывает экстраполяция, в масштабах NIF произвело бы около 125 килоджоулей энергии саморазогрева. Для сравнения, в 2014 году физики получили на NIF саморазогрев порядка 17 килоджоулей. Важно отметить, что хотя эта энергия невелика — столько потребляет 100-ваттная лампа за 20 минут, в подобных экспериментах она высвобождается за миллиардную долю секунды, что будет соответствовать сотням тераватт мощности.

Добиться этих результатов удалось за счет более точной системы фокусировки лазеров — диаметр капсулы с газом менее одного миллиметра. Фокусировка обеспечивает более равномерное сжатие смеси. Для фокусировки, в частности, используются рентгеновские методы — исследователи получают изображения с выдержкой в 40 пикосекунд, показывающие, как ведет себя вещество при контакте с лазерным излучением.

При реакции ядер дейтерия с тритием образуются альфа-частица — ядро гелия — и свободный нейтрон. Энергия этой реакции в 6,5 миллиона раз превосходит энергию от обычного сжигания такого же количества водорода. Это привлекает внимание большого количества ученых, и, помимо крупных научных экспериментов, существуют и частные стартапы, пытающиеся разработать термоядерные реакторы. Подробнее об их работе можно прочитать в нашем материале.

Владимир Королёв