Физики запустили термоядерную реакцию в стабилизированном Z-пинче

Американские физики впервые осуществили управляемый термоядерный синтез в стабилизированном Z-пинче. Температура плазмы достигала двадцати миллионов кельвин, а время ее удержания составляло около 16 микросекунд, что в 5000 раз превышает время удержания в нестабилизированном Z-пинче. В течение этого времени ученые регистрировали в среднем около ста миллионов нейтронов, родившихся в результате термоядерного синтеза. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Впервые идея управляемого термоядерного синтеза возникла более шестидесяти лет назад, в начале 50-х годов прошлого века. К сожалению, осуществить его не удалось до сих пор. В основном низкая эффективность термоядерного реактора связана с высокой температурой плазмы, необходимой для синтеза (порядка десяти миллионов градусов). Во-первых, чтобы нагреть вещество до такой температуры, нужно потратить много энергии. Во-вторых, чтобы плазма не расплавила стенки реактора, нужно поддерживать мощное магнитное поле, что тоже требует большой мощности. Более того, намагниченная плазма все равно остается очень нестабильной, из-за чего ее невозможно удерживать в течение долгого времени. В результате даже самый эффективный термоядерный реактор (NIF) не смог получить энергии больше, чем требуется на «поджиг» топлива, а самый «стойкий» реактор (EAST) удерживал плазму чуть больше минуты.

Простейшим устройством, способным удерживать плазму для термоядерного синтеза, является Z-пинч. Эта установка состоит из двух электродов, которые пропускают через плазму большой ток в направлении оси z (отсюда взялось название установки). В свою очередь, ток создает сильное кольцевое магнитное поле, которое сжимает и разогревает плазму. Исторически Z-пинч был одной из первых установок, на которых физики увидели нейтроны, рождающиеся в термоядерном синтезе. К сожалению, ее эффективность оказалась сильно ограничена уравнениями магнитной гидродинамики — проще говоря, возникающий в ней плазменный жгут получался очень нестабильным, и добиться большого выхода энергии не удавалось. Поэтому впоследствии ученые сосредоточились на других конструкциях термоядерного реактора (например, токамаках и стеллараторах)

Тем не менее, около 20 лет назад физики-теоретики обнаружили, что плазменный жгут Z-пинча можно стабилизировать, если сдвинуть в радиальном направлении поток частиц, который в обычных условиях направлен вдоль тока (то есть вдоль оси z). Согласно расчетам ученых, после такой модификации время удержания пучка вырастает по меньшей мере в тысячу раз. Несколько лет спустя группа исследователей под руководством Ури Шумлака (Uri Shumlak) проверила это предположение на практике и подтвердила, что время удержания стабилизированного пучка действительно растет. Впрочем, осуществить термоядерный синтез ученым тогда не удалось.

Теперь же физики не только получили стабилизированный Z-пинч, но и показали, что его можно использовать для термоядерного синтеза. Для этого ученые воспользовались установкой FuZE, построенной специально для получения стабилизированных пучков. Плазму исследователи получали из смеси газообразного водорода и дейтерия, взятых в соотношении 4:1. Сила тока, пропускаемого через плазменный пучок, достигала 200 тысяч ампер (в сто тысяч раз больше силы тока зарядного устройства для телефона). Чтобы контролировать профиль образующейся плазмы, физики использовали цифровой голографический интерферометр, то есть просвечивали плазму лазером, строили ее голографическое изображение и восстанавливали по нему плотность электронов. Температуру плазмы ученые оценивали с помощью ионной допплеровской спектроскопии. Наконец, поток нейтронов, которые рождаются в ходе термоядерного синтеза, исследователи измеряли с помощью пластиковых сцинтилляторов, связанных с фотоумножительными трубками.

В результате ученые получили цилиндрический плазменный жгут радиусом три миллиметра и плотностью порядка 10¹⁷ электронов на кубический сантиметр. Температура жгута составляла примерно один-два килоэлектронвольта, то есть десять-двадцать миллионов кельвин. Физикам удавалось удерживать плазму в течение 16 микросекунд, что в пять тысяч раз превышает время жизни плазмы в нестабилизированном Z-пинче. Более того, в течение первых пяти микросекунд ученые фиксировали поток нейтронов, которые указывали на термоядерный синтез. В среднем в одном импульсе рождалось 125 миллионов нейтронов.

Конечно, достигнутые учеными значения температуры и выхода нейтронов не могут сравниться с другими установками для термоядерного синтеза. Тем не менее, эта работа указывает на то, что использование Z-пинчей вовсе не так бесперспективно, как считалось раньше. Поэтому физики собираются продолжить свои исследования — в частности, измерить энергетический спектр нейтронов, чтобы лучше понять процессы, происходящие внутри плазменного жгута.

Исследование управляемого термоядерного синтеза стоит очень больших денег, а потому его обычно финансирует государство (а иногда даже несколько). В частности, к таким проектам относятся европейские реакторы JET и ITER, а также перспективные установки EAST (Китай), SPARC (США) и Wendelstein (Германия). Тем не менее, разработкой термоядерных реакторов занимаются и небольшие частные компании, которые надеются на неожиданные открытия, которые существенно удешевят постройку реактора. Прочитать про работу этих компаний можно в материале «Это будет бомба».

Дмитрий Трунин