Физики из Принстона пересмотрели правила термоядерного синтеза

Практическая реализация управляемого термоядерного синтеза сталкивается с парадоксальной проблемой: материал, выбранный инженерами для защиты реакторов от экстремальных температур, сам становится препятствием на пути к зажиганию. Речь идет о вольфраме, который обладает высокой прочностью и точкой плавления, но его попадание в перегретое топливо критически усложняет процесс.

Двойная цена за одну частицу вольфрама

Согласно новым расчетам, даже следовая концентрация вольфрама в плазме способна удвоить необходимое давление для достижения точки зажигания — момента, когда реакция начинает самоподдерживаться без внешнего нагрева. Достаточно всего одной частицы металла на десять тысяч частиц топлива, чтобы требования к системе резко возросли.

Физики из Лаборатории физики плазмы Принстонского университета (PPPL), входящей в структуру Министерства энергетики США, предложили альтернативный подход к достижению этого состояния. Их модель указывает, что вместо традиционного увеличения плотности топлива с последующим нагревом более эффективной стратегией является обратная последовательность: сначала нагреть плазму, а затем добавить топливо для повышения плотности.

Пределы закона Лоусона и роль примесей

Термоядерные реакции, питающие Солнце и звезды, требуют соединения легких атомных ядер при температурах свыше 100 миллионов градусов Цельсия. В земных условиях, преимущественно в токамаках — установках тороидальной формы, — магнитные поля удерживают плазму, не позволяя ей касаться стенок реактора. Внешние системы нагрева поддерживают температуру до начала самоподдерживающихся реакций.

На протяжении десятилетий исследователи опирались на критерий Лоусона, разработанный в 1950-х годах. Он описывает сочетание температуры, плотности и времени удержания энергии, необходимое для устойчивого синтеза. Однако этот принцип задает лишь целевые условия, не раскрывая наиболее энергетически эффективного пути их достижения, особенно учитывая сложность реальной плазмы.

Математическая модель реальных потерь

Команда PPPL во главе с Луисом Дельгадо-Апарисио, Масаюки Оно и Джонатаном Менардом создала математический каркас, учитывающий факторы, которые ранее рассматривались изолированно. Модель включает накопление «гелиевого пепла», проникновение примесей со стенок реактора, излучение электронов в магнитных полях и утечку тепла из плазмы.

Вольфрам представляет особую опасность из-за высокого атомного номера: даже минимальные концентрации приводят к значительным радиационным потерям энергии. Как отметил Масаюки Оно в заявлении PPPL, игнорирование этих эффектов создает ложную уверенность в работоспособности конструкции, тогда как их учет кардинально меняет картину.

Повышение давления плазмы относительно ограничивающего магнитного поля увеличивает риск возникновения нестабильностей. В некоторых режимах требуемое для зажигания давление может превысить пределы стабильного существования плазмы. Кроме того, сверхсильные магнитные поля, часто рассматриваемые как путь к компактным реакторам, могут привносить дополнительные потери на излучение.

Поиск «седла Кордеи» и обход препятствий

Новая модель предлагает аналогию с переходом через горный хребет: вместо штурма высочайшей вершины можно найти низкий перевал. Этот перевал идентифицируется как «седло Кордеи» — область условий, разделяющая внешним образом нагретую плазму и самоподдерживающийся синтез. В идеализированном случае прохождение происходит при коэффициенте усиления синтеза около пяти, когда мощность реакций в пять раз превышает мощность внешнего нагрева.

Хотя это еще не полное зажигание, такой этап может служить полезным промежуточным шагом. Исследователи также предлагают методы борьбы с загрязнением вольфрамом: покрытие стенок жидким литием для улучшения теплоудержания и использования спин-поляризованного топлива, где выравнивание ядер повышает вероятность реакций.

Теория против инженерных реалий

Интересно, что некоторые энергетические потери, затрудняющие зажигание, могут одновременно предотвращать чрезмерный рост температуры, облегчая контроль над устойчивым синтезом. Тем не менее, коммерческий термоядерный реактор пока не стал реальностью. Работа носит теоретический характер, и команда еще не продемонстрировала метод «нагрев первым» экспериментально; дальнейшие исследования будут проводиться с помощью компьютерного моделирования.

Необходимо различать достижение зажигания и производство полезной электроэнергии. В декабре 2022 года ученые Национального объекта зажигания в Калифорнии достигли зажигания, используя мощные лазеры для сжатия мишени, однако этот процесс фундаментально отличается от магнитного удержания в токамаках и не привел к генерации электричества для сети.

Коммерческий синтез по-прежнему сталкивается с серьезными инженерными вызовами: управлением радиоактивными материалами, образующимися под действием нейтронной бомбардировки, обеспечением запасов трития и созданием систем для длительной надежной эксплуатации. Исследование PPPL не решает эти проблемы напрямую, но предлагает более реалистичный инструмент для оценки путей достижения рабочих условий.

Учитывая стоимость строительства единичного экспериментального реактора, исчисляемую миллиардами долларов, знание заранее вероятных неудачных траекторий имеет огромную ценность. Как резюмировал Оно: «Эксперименты по термоядерному синтезу стоят очень дорого, и вы не хотите совершать ошибки, которые могли бы обнаружить заранее». Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.