28 января 2022

Американские физики утроили эффективность "быстрого" термоядерного синтеза

Американские физики утроили энергетическую эффективность экспериментального термоядерного реактора NIF. Это приблизило его к выходу в энергетический "плюс", пишут специалисты в научном журнале Nature.

"Проведенные нами улучшения в устройстве капсул с топливом стали большим шагом к выходу NIF в энергетический "плюс" и запуску самоподдерживающейся термоядерной реакции. Мы уверены в том, что последующее совершенствование этих элементов установки позволит нам перейти через этот порог", – пишут исследователи.

Существует два принципа работы термоядерных реакторов. Общепринятый основан на медленном термоядерном синтезе, в рамках которого физики планируют удерживать горячую плазму с помощью магнитных полей и электрических токов. На его основе строится международный экспериментальный термоядерный реактор ITER во Франции.

Существует и альтернативный подход, быстрый термоядерный синтез. В этом случае термоядерная реакция протекает за миллионные доли секунды при сжатии термоядерного топлива – смеси из трития и дейтерия. Для сжатия используют мощные лазеры. Эту технологию активно разрабатывают на американском экспериментальном реакторе NIF.

Физики под руководством Алекса Зилстры из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Ливерморе (США) утроили количество энергии, которое может вырабатывать NIF. Это удалось благодаря тому, что исследователи научились более точно концентрировать лазерные лучи на ядерном топливе и мешать их рассеиванию, которое происходит из-за взаимодействия частиц света с молекулами газа, который охлаждает полую капсулу с тритием и дейтерием.

Ранее ученые пытались избавиться от этой проблемы, понижая плотность газа. Однако в результате капсула быстро нагревалась и расширялась, что резко снижало температуру и давление внутри термоядерного топлива. Зилстра и его коллеги выяснили, что эту проблему можно обойти, если установить перед входом в капсулу специальный фотонный кристалл, который будет концентрировать энергию лазерных лучей внутри емкости с топливом.

Также ученые выяснили, что эффективность термоядерных реакций можно дополнительно повысить, если сделать капсулу с топливом похожей не на бочку, а на миниатюрную полую гантель. Благодаря этому физики резко снизили вероятность того, что лучи лазеров будут рассеиваться неправильным образом при взаимодействиях с молекулами газа, охлаждающего стенки капсулы с термоядерным топливом.

И та, и другая модификация помогли ученым утроить эффективность "быстрого" термоядерного синтеза. Как признают Зилстра и его коллеги, пока этот подход очень далек от выхода в энергетический "плюс", однако ученые ожидают, что последующие совершенствования технологии фокусировки лазерных лучей помогут им вплотную приблизиться к решению этой задачи.