Учёные нашли способ снизить затраты энергии для запуска термоядерной реакции
Физики Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) в США предложили новый способ достижения самоподдерживающейся термоядерной реакции, который может потребовать значительно меньше энергии, чем традиционные подходы. Согласно математическим расчётам, для этого необходимо сначала нагреть плазму, а затем постепенно увеличить её плотность. Такой порядок действий позволяет обойти наиболее энергозатратные этапы на пути к термоядерному зажиганию.
Исследование провели специалисты PPPL Луис Дельгадо-Апарисио, Масаюки Оно и Джонатан Менар. Они разработали расширенную математическую модель, описывающую условия, при которых термоядерная реакция способна поддерживать необходимую температуру плазмы без постоянного внешнего нагрева.
Одной из главных задач термоядерной энергетики остаётся достижение зажигания — состояния, при котором энергия, выделяемая в результате слияния лёгких атомных ядер, обеспечивает дальнейшее протекание реакции. Для этого необходимо одновременно поддерживать чрезвычайно высокую температуру, достаточную плотность плазмы и эффективно удерживать её в магнитном поле.
С середины XX века для оценки таких условий используется критерий Лоусона, связывающий плотность плазмы, температуру и время удержания энергии. Однако сам по себе он не определяет, каким способом наиболее эффективно достичь требуемого состояния. Именно эту проблему исследователи попытались решить в новой работе.
Учёные расширили классическую модель, включив в расчёты четыре дополнительных фактора: накопление гелия, образующегося после термоядерных реакций, загрязнение плазмы веществом стенок реактора, потери энергии на синхротронное излучение и утечку тепла из плазмы. Ранее влияние этих процессов изучалось по отдельности, но теперь исследователи рассмотрели их совместное воздействие.
Расчёты показали, что последовательность нагрева и увеличения плотности плазмы имеет принципиальное значение. Если сначала повышать плотность, а затем пытаться нагреть полученную плазму до температуры зажигания, могут потребоваться значительно большие энергетические затраты. Более эффективный путь, согласно модели, заключается в предварительном нагреве относительно разреженной плазмы с последующим увеличением её плотности.
В математическом описании этот маршрут проходит через так называемую седловую точку Корди — область, соответствующую относительно доступному переходу от плазмы, требующей внешнего нагрева, к самоподдерживающемуся термоядерному горению. Исследователи сравнивают такой подход с поиском низкого перевала вместо подъёма на высокую горную вершину.
При идеальных условиях расчётная граница перехода соответствует коэффициенту энергетического усиления Q около пяти. Это означает, что мощность термоядерных реакций примерно в пять раз превышает внешнюю мощность нагрева плазмы. Однако такой показатель ещё не означает, что электростанция в целом сможет производить больше электричества, чем потребляет.
Отдельное внимание физики уделили загрязнению плазмы вольфрамом, который используется в конструкциях перспективных термоядерных установок благодаря высокой температуре плавления. Согласно новой модели, присутствие всего одной частицы вольфрама на 10 тысяч частиц плазмы способно примерно вдвое увеличить давление, необходимое для достижения зажигания. При определённых условиях это может приблизить параметры плазмы к пределу её магнитной устойчивости.
Исследователи также обнаружили, что некоторые процессы, затрудняющие начало реакции, способны впоследствии стабилизировать её. В частности, потери энергии через излучение и перенос тепла могут ограничивать чрезмерный рост температуры, снижая вероятность тепловой неустойчивости. Это открывает дополнительные возможности для поддержания управляемого термоядерного горения.
Полученные результаты могут оказаться полезными при проектировании токамаков и стеллараторов — установок, в которых высокотемпературная плазма удерживается магнитными полями. Авторы также рассматривают использование жидкого лития для защиты плазмы от примесей вольфрама и топлива с определённой ориентацией ядерных спинов для повышения эффективности реакций.
Пока предложенный подход существует только в виде математической модели. Экспериментального подтверждения того, что предварительный нагрев плазмы действительно позволяет достичь зажигания с меньшими энергетическими затратами, нет. Следующим этапом станут компьютерные эксперименты, которые помогут проверить применимость расчётов к реальным термоядерным установкам.
Исследование в журнале Physical Review Letters.