Все 70 лет разработок термоядерного синтеза физики использовали один и тот же математический закон, чтобы вычислить температуру и давление, до которых нужно довести плазму, чтобы началась термоядерная реакция вышла в самоподдерживающий режим. Это уравнение известно как критерий Лоусона: оно описывает условия, но не указывает, как их достичь наиболее эффективным способом.
Ученые развернули термоядерную реакцию задом наперед — и она пошла быстрее
Что сначала — подогреть топливо или сжать его? До сих пор ядерщики пытались сначала создать высокое давление в зоне реакции, а потом уже разогревать топливо. В лаборатории квантовой физики Принстона открыли, что реакция запускается проще, если сделать наоборот.
Иллюстративное изображение. Источник: easy-peasy.ai, public domain image.
Содержание
На днях лаборатория физики плазмы Принстонского университета сообщила, что трое ее сотрудников нашли ответ на этот вопрос. Описание их работ опубликовал журнал Physical Review Letters.
Переход через седловину Корди бережет энергию
Соавтор работы Луис Дельгадо-Апарисио сравнивает свое открытие с поиском легкого маршрута через горный хребет. Количество энергии, нужное для запуска термоядерной реакции — это рельеф гор. Перейти на другую сторону можно несколькими путями: традиционные стратегии термоядерного синтеза предполагают попытку подняться прямо через вершину, сначала увеличив плотность плазмы, а затем разогрев ее.
Продолжение ниже
Видео
Продолжение
Однако расчеты по новому методу показали, что более эффективен обратный подход: нагреть плазму и лишь затем сжимать ее. Это позволяет обойти пик затрат энергии.
Нагрев плазмы перед сжатием позволяет обойти пик затрат энергии.
Если этот математический закон визуализировать в диаграмме, получится поверхность с седловиной, которую исследователи назвали седловиной Корди в честь британского физика Джона Корди, внесшего большой вклад в развитие термоядерного синтеза. Если нагрев и сжатие плазмы проходят через нее, суммарные затраты энергии оказываются минимальными.
Чтобы сравнить разные варианты выхода реактора на рабочую температуру, ученые использовали величину, названную фактором усиления мощности термоядерной реакции Q — соотношение мощности, выделяемой в результате реакции, с мощностью, затрачиваемой на внешний нагрев. В идеальной плазме, состоящей из чистого топлива, проход через седловину Корди обеспечивает Q=5. В реальных термоядерных системах он гораздо ниже из-за множества помех.
Конструкцию токамака придется пересмотреть
В настоящее время многие команды разработчиков по всему миру делают ставку на один из двух типов термоядерных установок: токамаков и стеллараторов. Оба варианта используют сильные магнитные поля, чтобы удерживать плазму, пока происходит ее нагрев. Судя по новостям последних лет, прогресс в создании работающих токамаков ушел вперед.
Чтобы коммерческая термоядерная энергетика стала возможной, придется преодолеть еще немало сложностей. Результаты принстонских ученых могут внести поправки в то, как будет устроено новое поколение этих установок. Новизна этого исследования в том, что в нем физические процессы оцениваются в связи друг с другом, а не изолированно, как делалось во многих более ранних работах.
Экспериментальный реактор китайского стартапа Startorus Fusion.
Причем в своей матмодели исследователи учли четыре практических фактора, которые могут повлиять на то, достигнет ли плазма точки зажигания и сможет ли поддерживать его: накопление отходов гелия в зоне реакции, загрязнение плазмы примесями, синхротронное излучение и потери тепла за счет переноса. Учет этих эффектов дает более реалистичную картину необходимых условий. «Термоядерные эксперименты стоят огромных денег, и никому не хочется совершать ошибки, которые можно было выявить заранее», — отметил соавтор работы Масаюки Оно.
Загружаем