В лаборатории слияние двух атомных ядер, например с ускорителями частиц, происходит успешно, когда исследователи используют реакции слияния для генерации быстрых свободных нейтронов для дальнейших экспериментов. В гораздо большем масштабе контролируемое слияние более легких ядер найдет применение в производстве энергии. Модель - солнце: его энергия питается серией внутренних реакций синтеза. В течение многих лет ученые работали над концепциями, которые можно было бы использовать для выработки электроэнергии из термоядерной энергии.
"Во-первых, это перспектива практически неисчерпаемого источника энергии. С другой стороны, это многие оставшиеся технологические препятствия, которые мы хотим внести, чтобы справиться с нашей работой", — говорит Ральф Шютхольд, директор Департамента теоретической физики HZDR.
Чтобы инициировать ядерный синтез, необходимо преодолеть сильные электрические силы отталкивания одинаково заряженных атомных ядер, которые должны быть слиты вместе. Это обычно требует высоких энергий. Но есть и другой способ, объясняет Фридеманн Кейссер:
Если доступной энергии недостаточно, слияние также может быть осуществлено путем туннелирования, квантово-механического процесса. При этом энергетический барьер, вызванный отторжением ядра, при более низких энергиях туннелируется. Этот процесс - не теоретическая конструкция, а реальность: таким образом, температуры и давления, встречающиеся в солнечном ядре, недостаточно для преодоления энергетического барьера для слияния ядер водорода. Слияние все же происходит: преобладающие условия позволяют поддерживать реакцию слияния в течение достаточного числа туннельных процессов.
Ученые HZDR в настоящее время изучают, может ли поддержка туннельных процессов с помощью излучения облегчить управляемый синтез. Но даже это вопрос энергии: чем он ниже, тем меньше вероятность того, что он проложит туннель. До сих пор производительность обычного лазерного излучения для запуска таких процессов была слишком низкой. Это может скоро измениться: с помощью свободных электронов-лазеров с рентгеновским освещением уже можно получить плотность мощности порядка 10 20 Ватт на квадратный сантиметр. Это примерно эквивалентно тысяче раз солнечной энергии нашего солнца, сфокусированной на поверхности монеты в 1 евроцент.
"Таким образом, мы сталкиваемся с областями, которые делают возможным поддержку таких туннельных процессов с помощью мощных рентгеновских лазеров", — сказал Шютцхольд.
Идея состоит в том, что сильное электрическое поле, которое вызывает отторжение ядер, накладывается на более слабое, но быстро изменяющееся электромагнитное поле, которое может генерироваться с помощью XFEL. Дрезденские ученые теоретически исследовали это путем слияния изотопов водорода с дейтерием и тритием. Эта реакция в настоящее время считается одной из самых многообещающих, когда речь идет о перспективных концепциях будущих термоядерных электростанций. Результаты показывают, что таким образом можно увеличить скорость туннелирования; достаточное количество запущенных туннельных процессов может в конечном итоге обеспечить успешную и контролируемую реакцию слияния. Несколько лазерных систем с соответствующим потенциалом сегодня являются одними из флагманов крупных исследовательских установок во всем мире, таких как Япония и США или Германия, где рентгеновский лазер European XFEL является самым мощным в мире лазером в своем роде. На тамошних Helmholtz International Beamline Extreme for Fields (HIBEF) запланированы эксперименты с молниями уникальный ультра короткого и очень сильного света Рентгеновского снимка. HIBEF в настоящее время строится HZDR.
Далее, физики из Дрездена-Штаркфельда хотят углубиться в теорию, чтобы лучше понять другие реакции синтеза и иметь возможность оценить их потенциал для радиационных туннельных процессов. Они уже наблюдались в лабораторных системах, таких как квантовые точки в физике твердого тела или конденсаты Бозе-Эйнштейна, но в случае ядерного синтеза экспериментальное доказательство все еще отсутствует. В перспективе авторы исследования также считают возможными другие источники излучения для поддержки туннельных процессов. Первые теоретические результаты по электронным пучкам уже имеются.