Специалисты Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США предложили способ, который может заметно повысить эффективность достижения термоядерного зажигания. Согласно их расчётам, если изменить порядок нагрева и сжатия плазмы, потребуется значительно меньше энергии для получения самоподдерживающейся термоядерной реакции. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Более семидесяти лет исследователи термоядерного синтеза пользуются математическим правилом, позволяющим определить, способна ли плазма оставаться достаточно горячей и плотной нужное время для поддержания реакции без внешнего нагрева. Это правило известно как критерий Лоусона: оно задаёт условия зажигания, но не объясняет, каким путём их выгоднее всего достичь. Физики PPPL Луис Дельгадо-Апарисио, Масаюки Оно и Джонатан Менард разработали более полную версию критерия, добавив четыре дополнительных фактора, влияющих на термоядерные процессы, и наметили перспективный маршрут к зажиганию, требующий существенно меньших затрат энергии по сравнению с альтернативными подходами.
Речь идёт о плазме — четвёртом состоянии вещества, которое возникает, когда газ получает столько энергии, что его частицы приобретают электрические заряды. В термоядерных реакторах этот раскалённый материал содержит атомные ядра, которые учёные стремятся соединить, чтобы высвободить энергию. Конечная цель — получить горящую плазму, где реакции синтеза выделяют достаточно тепла для поддержания процесса без постоянного внешнего нагрева, и достичь этого состояния эффективно остаётся одной из главных задач термоядерных исследований.
Дельгадо-Апарисио сравнивает открытие с поиском более удобного пути через горный хребет. Многие предложенные стратегии, по сути, пытаются идти напрямую через вершину: сначала повышают плотность плазмы, а затем подают огромное количество тепла для зажигания. Новые расчёты показывают, что другая последовательность может оказаться гораздо выгоднее: вместо первоначального роста плотности плазму сначала нагревают, а уже потом делают плотнее. Такой маршрут позволяет обойти самые высокие энергетические требования и всё равно выйти на нужные условия. «Многие компании хотят идти прямо в лоб на гору и тратят на это огромную энергию, — говорит Дельгадо-Апарисио. — Обойдите вершину стороной. Вы попадёте в то же место гораздо умнее и потратите куда меньше энергии».
Исследователи выделили особенно важную область этой математической картины — седло Кордея. В географии седловина представляет собой низкий проход между возвышенностями, а в физике плазмы седло Кордея — относительно доступная точка на границе, разделяющей плазму, которой ещё нужен внешний нагрев, и плазму, способную поддерживать собственные термоядерные реакции. Для оценки разных маршрутов учёные использовали показатель Q, сравнивающий мощность термоядерных реакций с внешней мощностью нагрева: например, Q = 5 означает, что реакции дают в пять раз больше энергии, чем подаёт система нагрева. В идеальной плазме из чистого термоядерного топлива седло Кордея находится примерно при Q = 5, однако реальные системы устроены гораздо сложнее: загрязнения в плазме и чрезвычайно сильные магнитные поля смещают положение этого прохода, повышая необходимое значение Q. Понимание того, как меняются эти условия, важно для оценки реалистичности зажигания в проектируемом реакторе.
Полученные результаты могут повлиять на конструкцию двух основных типов магнитных термоядерных устройств — токамаков и стеллараторов. Оба подхода используют мощные магнитные поля для удержания плазмы, разогреваемой до экстремальных температур, а токамаки характерной формы «бублика» входят в число ведущих технологий для будущих термоядерных электростанций. Научные институты и частные компании ищут разные способы получать электричество из синтеза и в перспективе подавать его в энергосети, и понимание эффективного маршрута к зажиганию поможет инженерам проектировать более практичные системы и избегать дорогостоящих ошибок. Для PPPL эта работа — часть более широких усилий по решению научных и технологических задач, которые предстоит преодолеть до появления коммерческой термоядерной энергетики, включая создание будущих пилотных термоядерных установок.
Одно из главных достижений исследования в том, что оно рассматривает несколько важных физических процессов вместе, а не по отдельности, как это делалось в большинстве прежних работ. Учёные учли четыре дополнительных фактора, влияющих на достижение и поддержание зажигания: накопление гелиевой золы (гелий как побочный продукт реакций накапливается, разбавляет оставшееся топливо и снижает эффективность); загрязнение плазмы (лёгкие и тяжёлые примеси попадают в неё из материалов внутренних стенок реактора и мешают условиям синтеза); синхротронное излучение (электроны, движущиеся в магнитных полях, испускают излучение и уносят энергию из плазмы); потери тепла (энергия постоянно уходит из плазмы, и эти потери могут расти с повышением температуры). Учёт этих эффектов даёт более реалистичную картину условий, которых должны достичь будущие реакторы. «Когда вы оставляете эти эффекты без внимания, кажется, что конструкция будет работать нормально, — говорит Оно. — Когда вы их учитываете, картина меняется, и это становится довольно важным».
По словам Оно, цель — создать более надёжную и широко применимую модель, с помощью которой учёные смогут оценивать проекты термоядерных реакторов ещё до начала строительства. Отношение к критерию Лоусона как к единому неизменному порогу упускает физические процессы, способные существенно изменить требования к зажиганию, а их ранний учёт в процессе проектирования помогает избежать дорогостоящих проблем в будущем. «Термоядерные эксперименты стоят очень больших денег, и вы не хотите совершать ошибки, которые могли бы поймать заранее», — сказал он.
Особенно заметный результат касается вольфрама — чрезвычайно жаростойкого металла, выбранного для внутренних стенок более десятка термоядерных установок нового поколения. Вольфрам привлекателен тем, что реакторы должны выдерживать температуры плазмы выше, чем в центре Солнца, но этот материал создаёт серьёзную проблему, если в плазму попадают даже его мельчайшие количества. Расчёты команды показывают, что загрязнение вольфрамом при концентрации всего одна часть на 10 000 способно примерно вдвое увеличить давление, необходимое для термоядерного зажигания. Это существенный рост из-за исключительно малого количества вещества. Изначально расчёты выполнялись в двух измерениях, а когда исследователи расширили анализ до трёх измерений, выяснилось, что нужное для зажигания давление может превысить пределы, при которых плазма остаётся стабильной. Это говорит о том, что, казалось бы, незначительное загрязнение способно иметь крупные последствия для осуществимости некоторых конструкций термоядерных реакторов.
Неожиданно некоторые процессы, затрудняющие зажигание, могут также помогать реакторам работать безопаснее и стабильнее. Учёные давно изучали возможность тепловой «разгонной» неустойчивости, когда тепло от реакций синтеза ускоряет реакцию, производя ещё больше тепла и создавая самоподдерживающийся цикл. Исследователи обнаружили, что потери энергии внутри плазмы естественным образом противодействуют этому эффекту. Хотя такие потери усложняют достижение зажигания, они же дают уравновешивающее влияние, позволяющее горящей плазме сохранять стабильный рабочий режим без постоянных корректировок, что может быть ценно для будущих конструкций реакторов. В отличие от электростанции на делении ядер, термоядерная система содержит лишь секундный запас топлива, поэтому потеря контроля означает охлаждение плазмы и прекращение горения, а не что-то худшее.
Исследование также указывает на технологии, способные помочь преодолеть часть препятствий, выявленных расчётами. Одна из возможностей — покрытие внутренних поверхностей термоядерных реакторов жидким литием, технику которого специалисты PPPL изучают много лет: такие покрытия могут мешать вольфраму попадать в плазму и одновременно снижать потери тепла, облегчая поддержание экстремальных условий, необходимых для синтеза. Другой перспективный подход — использование топлива со спин-поляризацией: атомные ядра подготавливают так, чтобы их спины были выровнены до начала синтеза, что может повысить скорость термоядерных реакций. Вместе эти стратегии способны улучшить характеристики будущих реакторов и сделать путь к зажиганию более достижимым.
Несмотря на многообещающие выводы, предложенный подход «сначала нагрев» пока не подтверждён экспериментально. Исследование носит теоретический характер и опирается на математические расчёты, а не на прямые измерения. Существующие термоядерные эксперименты не достигали температур, связанных с седлом Кордея, поэтому проверить предсказанный маршрут в таких условиях учёные не могли. Команда PPPL планирует продолжить изучение подхода с помощью цифровых экспериментов — компьютерных симуляций, чтобы выяснить, даёт ли нагрев плазмы до повышения её плотности ожидаемые преимущества. Если будущие работы подтвердят расчёты, результаты могут стать важной основой для проектирования более эффективных термоядерных систем и помочь исследователям принимать более верные решения о строительстве реакторов. «Хотя нужно ещё много изучать, эти результаты нас вдохновляют, и они указывают ясный путь для будущих исследований в этой области», — сказал Менар.