Китайские учёные утверждают, что последние достижения в области инерциального термоядерного синтеза приближают нас на шаг к тому, чтобы сделать ядерный синтез реальностью.
Новые результаты, в которых используются инновационные подходы к моделированию, могут открыть новые пути для исследования тайн, связанных с физикой высоких плотностей энергии, и потенциально могут предложить окно к пониманию физики ранней Вселенной.
Использование управляемого ядерного синтеза в качестве потенциального источника чистой энергии в последние годы достигло значительных успехов, и недавнее исследование китайской команды, финансируемое Программой стратегических приоритетных исследований Китайской академии наук и опубликованное в прошлом месяце в журнале Science Bulletin, сигнализирует о следующей волне открытий, и команда называет «удивительным наблюдением» с участием сверхтепловых ионов во время наблюдений за плазмой термоядерного горения на National Ignition Facility (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии.
Основным компонентом, определяющим стремление к управляемому ядерному синтезу как потенциальному средству получения чистой и богатой энергии, является инерционный термоядерный синтез ICF, который основан на зажигании топливных пакетов, состоящих из дейтерия-трития (ДТ).
Ядерный синтез, процесс, питающий звезды, включает в себя слияние атомных ядер с образованием более тяжелых ядер, в результате чего высвобождается огромное количество энергии. В звездах атомы водорода превращаются в гелий в очень экстремальных природных условиях, в результате чего возникают самоподдерживающиеся реакции.
Для сравнения, в лабораторных условиях добиться воспламенения сложнее, хотя это и является важным шагом на пути к использованию термоядерного синтеза в качестве чистого, эффективного и устойчивого источника энергии. Энергия, основанная на термоядерном синтезе, использует в качестве топлива водород, производя в качестве побочного продукта только гелий, что делает ее экологически чистой. Если ее использовать для производства электроэнергии, она может стать практически безграничной и экологически безопасной альтернативой традиционным источникам энергии.
В феврале 2021 года ученые достигли состояния горящей плазмы в ходе экспериментов с внутренним удержанием, проводимых в Национальном центре воспламенения, что стало значительным шагом на пути к развитию термоядерной энергетики. В конце августа того же года в Национальной установке зажигания Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса было успешно достигнуто зажигание, о чем было рассказано в трех рецензируемых работах, опубликованных в следующем году.
При синтезе ДТ большую часть выделяемой энергии несут нейтроны, которые можно использовать для производства электроэнергии. В то же время альфа-частицы задерживаются в топливном пакете, что способствует дополнительным реакциям синтеза. Когда энергия альфа-частиц превышает энергию, полученную в результате имплозии, образующаяся плазма достигает стадии самоподдерживающегося горения, подобно тому, как это происходит на поверхности звезд, таких как наше Солнце.
В ходе экспериментов 2021 года ученые отметили наблюдение нового физического явления, выявленного в данных, связанных со спектрами нейтронов, где данные показали значительное отклонение от предыдущих предсказаний, основанных на гидродинамике. А именно, наблюдения команды NIF в 2021 году, похоже, указывали на присутствие сверхтепловых ионов ДТ.
Открытие было значительным, особенно потому, что оно бросило вызов существующим моделям, которые диктуют скорости частиц в идеализированных газах, иначе называемые распределениями Максвелла-Больцмана. Кроме того, полученные результаты указывают на неравновесные механизмы и кинетические эффекты, которые ранее оставались неизвестными.
Моделирование таких эффектов представляет собой проблему не только для общепринятой физики, поскольку этот процесс часто включает в себя значительные энергетические обмены, которые затрудняют предсказание их кинетических эффектов. Сверхтепловые ионы образуются при столкновениях с большими углами во время этих процессов, которые являются результатом осаждения альфа-частиц. В результате возникают потенциально значительные отклонения от равновесного состояния, которые часто не поддаются простой классификации наряду со стандартными гидродинамическими наблюдениями.
Недавнее китайское исследование под руководством профессора Цзе Чжана из Института физики Китайской академии наук и Шанхайского университета Цзяо Тун попыталось преодолеть эти трудности, используя новый подход: команда реализовала новую модель для столкновений с большими углами, которая учитывает влияние фоновых ионов, а также относительное движение ионов, присутствующих в бинарных столкновениях.
Предложенная командой модель позволила им создать более целостную структуру для понимания труднодостижимых элементов ионной кинетики. В частности, команда представила гибридный код LAPINS «частица в ячейке», который, благодаря интеграции с их моделью, позволил исследователям провести моделирование горящей плазмы инерциального термоядерного синтеза.
Результаты работы команды многообещающие, поскольку они позволили получить беспрецедентные данные, включающие продвижение момента зажигания до ~10 пикосекунд. Исследовательская группа также отмечает присутствие сверхтепловых ионов D ниже энергетического порога в ~34 килоэлектронвольта (кэВ), что почти в два раза превышает ожидаемую плотность осаждения альфа-частиц. Наконец, команда сообщает о наблюдении почти 24-процентного увеличения плотности альфа-частиц вблизи центра горячей точки.
Выводы команды согласуются с отдельными анализами спектральных моментов нейтронов, проведенными NIF в ходе кинетического моделирования, причем каждая партия данных выявляет расхождения между анализами спектральных моментов нейтронов и прогнозами гидродинамики, причем последние, как оказалось, растут с общим увеличением выхода.
Результаты работы команды имеют большое значение в деле освоения управляемого ядерного синтеза — области, в которой за последние месяцы произошло несколько многообещающих событий. В прошлом году совместными усилиями японских и европейских исследователей был достигнут рекордный объем плазмы, генерируемой реактором JT-60SA, расположенным в Нака (Япония).
В США Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL) также добилась значительного прогресса в области стабильности плазмы с помощью искусственного интеллекта: исследователи разработали модель обучения с подкреплением, способную предсказывать и предотвращать неустойчивости режима разрыва в термоядерной плазме.
В конечном счете, новые открытия китайской исследовательской группы способствуют дальнейшему развитию этой области и открывают новые возможности для исследований, которые позволят более тонко контролировать высокие плотности энергии в плазме ядерного горения. В конечном счете, такие открытия могут вскоре проложить путь к новым богатым источникам чистой энергии, а также открыть понимание эволюции нашей Вселенной.