Термоядерный синтез практически неисчерпаемый, но пока еще не контролируемый источник энергии. Ученый физического факультета Томского госуниверситета Михаил Егоров выясняет, для каких реакций и при каких энергиях и температурах выделяющаяся полезная энергия может превышать энергетические потери, связанные с движением заряженных частиц.
С использованием точных методов квантовой механики он вычислит сечения наиболее интересных с прикладной точки зрения термоядерных реакций синтеза. На основе найденных величин можно будет рассчитать кинетику ядерных превращений для расчета коэффициента полезного действия (КПД) конкретной энергетической термоядерной или гибридной ядерной установки. Результаты исследования помогут развитию энергоэффективной термоядерной энергетики.
Индивидуальный проект «Малочастичная динамика ядерных реакций» поддержан Фондом развития теоретической физики и математики «БАЗИС», срок реализации проекта – три года. Молодой ученый, доцент кафедры квантовой теории поля физического факультета Томского госуниверситета Михаил Егоров выясняет возможность и величину увеличения выхода термоядерных реакций в условиях мезонного катализа при сравнительно низких энергиях и температурах. Известное под мезонным катализом явление снижения кулоновского отталкивания сталкивающихся в плазме положительно заряженных ядер за счет присутствия в зоне взаимодействия отрицательно заряженных сравнительно долгоживущих частиц-мезонов позволяет по-новому взглянуть на перспективы термоядерной энергетики.
Энергоэффективная термоядерная энергетика находится пока в стадии формирования, объясняет ученый ТГУ. В отличие от классического термоядерного синтеза, мезонный катализ, проходящий в присутствии отрицательно заряженных мюонов или пионов, облегчает слияние ядер и происходит уже при сравнительно низкой температуре. Такие катализированные реакции могут играть роль начального драйвера для всей энергетической установки, кинетика ядерных превращений в которой обеспечивает затем положительный энергетический баланс при соблюдении ряда условий.
Проект физика-теоретика ТГУ направлен на решение одной из основополагающих задач выяснения режима работы перспективных энергетических установок путем прямого расчета вероятностей протекания катализированных реакций синтеза.
«На сегодняшний день расчета сечений катализируемых реакций ядерного синтеза и их скорости нет и в целом эти сечения мало изучены. Исследователи мюонного катализа, как правило, концентрируют внимание на проблеме образования мюонных атомов и молекул, полагая, что после этого термоядерный синтез будет происходить мгновенно из связанных атомных состояний. Если мы выясним, что мезонный катализ термоядерных реакций начинается раньше заметного замедления мюонов (или мезонов) в плазме или что некоторые реакции могут давать энергоемкий вклад уже при низких температурах, то сможем существенно дополнить картину того, что собой должна представлять перспективная термоядерная энергетика», – добавляет Михаил Егоров.
Для заявленных вычислений необходимо применение целого ряда методов квантовой теории рассеяния, в том числе решение уравнений Фаддеева, описывающих динамику нескольких тел, взаимодействующих посредством потенциалов различной природы.
«Это метод называют «математической лабораторией», когда строго выверенная математическая конструкция помогает решить физическую задачу без необходимости введения свободных параметров. В моем случае требуется провести расчет сечений ядерных реакций, в зоне взаимодействия которых находятся три частицы, – поясняет физик ТГУ.
«Моя задача как физика-теоретика сводится к воспроизведению всех особенностей такой малочастичной динамики; учету изменения сортов частиц: сталкиваются одни ядра, а образуются совсем другие; корректному учету дальнодействующего кулоновского взаимодействия. Формализм решения интегральных и дифференциальных уравнений Фаддеева позволяет это делать естественным образом».
У Михаила Егорова уже есть опыт проведения подобных расчетов на фундаментальном и прикладном уровне с помощью развиваемых математических методов: научным заделом стала его работа по созданию инструмента поиска связанных состояний в трехчастичных системах. Этот теоретико-вычислительный инструмент прошел апробацию в задачах электромагнитного образования мезонов с последующим их взаимодействием в конечном состоянии с ядром мишенью (Physical Review C, Q1) и в задачах поиска связанных состояний («Ядерная физика»).
На первом этапе проекта исследователь выбрал оптимальную стратегию численного счета для задачи на собственные значения в системе трех тел. Затем освоил двухпотенциальный метод точного учета кулоновского взаимодействия в паре сильно взаимодействующих частиц. Далее ученый движется по плану последовательного численного решения искомой задачи рассеяния трех тел с появлением новых сортов частиц. На заключительном этапе физик сравнит рассчитанные скорости катализируемых процессов со скоростью тормозных потерь движущихся в плазме заряженных частиц.
Фонд развития теоретической физики и математики «БАЗИС» функционирует с 2016 года в целях поддержки фундаментальной физики и математики в России. Грантовый конкурс PostDoc призван поддержать талантливых молодых кандидатов наук и способствовать повышению научного уровня и актуальности их исследований.