Ученые из Канады и США повысили скорость термоядерной реакции ядер дейтерия в палладиевой мишени на 15 процентов с помощью электрохимического насыщения, которое ранее безуспешно применялось для создания холодного ядерного синтеза. Хотя тепловая мощность реактора на восемь порядков ниже потребляемой, исследование, опубликованное в Nature, демонстрирует первый пример увеличения скорости термоядерной реакции при помощи электрохимии.
Управляемый термоядерный синтез считается наиболее экологичным источником энергии, однако реализовать энергетически выгодный реактор до сих пор не удалось. Дело в том, что по критерию Лоусона для создания самоподдерживающейся термоядерной реакции необходимо удерживать в стабильном состоянии сильно сжатую плазму при температуре, значительно превышающей температуру в недрах солнца. Пока что ближе всего к удовлетворению критерия Лоусона подошли термоядерные установки на основе магнитного удержания плазмы и импульсного сжатия. В нашем материале «Солнце — в бутылку!» можно подробнее почитать про попытки реализации горячего управляемого термоядерного синтеза.
Иной перспективный подход к ядерному синтезу, минующий фазу горячей плазмы, заключается в насыщении кристаллической решетки металлов атомами дейтерия и последующей бомбардировке такой мишени частицами. При таком подходе топливо получается сжать до плотностей, сопоставимых со значениями при импульсном термоядерном синтезе, что сильно повышает вероятность ядерной реакции дейтерий-дейтерий. Хотя такую мишень можно реализовать при комнатной температуре, метод не имеет ничего общего с холодным ядерным синтезом, поскольку мишень подвергается бомбардировке высокоэнергетическими частицами.
Несмотря на то, что теория холодного ядерного синтеза признана несостоятельной, его идеи оказались полезны для современной термоядерной физики. Группа химиков и физиков под руководством Кёртиса П. Берлингетт (Curtis P. Berlinguette) из Университета Британской Колумбии на 15 процентов увеличила скорость слияния дейтерия в кристаллической решетке палладия с помощью метода электрохимического насыщения, который изначально был предложен Мартином Флейшманом и Стенли Понсом. Однако если Флейшман и Понс утверждали, что в результате электролиза в тяжелой воде на палладиевом катоде возникает реакция слияния дейтерия (что оказалось неправдой), то группа Берлингетт использовала метод исключительно для увеличения плотности дейтерия в кристаллической решетке. Для этого ученые создали ядерный реактор Thunderbird, умещающийся на рабочем столе и состоящий из трех основных частей: плазменного насоса, вакуумной камеры и электрохимической ячейки.
Плазменный насос в самом низу реактора ионизирует дейтерий и направляет его с отделившимися электронами в вакуумную камеру, где расположена отрицательно заряженная палладиевая мишень. Сильное электрическое поле, создаваемое в камере, разгоняет ионы дейтерия до энергий порядка килоэлектронвольт, внедряя их в кристаллическую решетку на глубину 0,18 микрометра. При этом отрицательно заряженные электроны летят по направлению от мишени, так что у ее поверхности образуется оболочка из дейтериевой плазмы, видимая невооруженным взглядом. Сразу за палладиевой мишенью расположена электрохимическая ячейка (аналог установки Флейшмана и Понса), в которой тяжелая вода насыщает отрицательно заряженную палладиевую мишень дейтерием на 70 процентов.
В результате слияния ядер дейтерия физики с равной вероятностью ожидали образования ядра гелия-3 и нейтрона или ядра трития и протона. Поскольку нейтрон беспрепятственно покидает реактор, для оценки скорости ядерных реакций было выбрано замерять именно нейтронное излучение. Чтобы исключить неверную интерпретацию измерений, участники промоделировали процессы, происходящие в реакторе, а затем сравнили с экспериментальными результатами. Три эксперимента показали, что дополнительная накачка мишени дейтерием увеличивала скорость реакций на 15, 11 и 18 процентов, что в среднем давало 15-процентный прирост скорости. Последующее отключение электрохимической ячейки не приводило к значительному снижению скорости реакций, поскольку число атомов, участвующих в синтезе, сильно меньше общего числа частиц в мишени.
Чтобы убедиться, что прирост нейтронов происходит именно благодаря электролизу, ученые снова провели оба этапа эксперимента, но вместо тяжелой воды использовали обычную. Как и ожидалось, после включения электролитической ячейки уровень нейтронного излучения не изменился.
Хотя мощность, выделяемая реактором Thunderbird, на 10 порядков меньше потребляемой, авторы считают, что эти показатели можно улучшить заменой палладиевой мишени на индуктивно связанную плазму, либо на более «вместительные» для атомов дейтерия металлы (ниобий, титан). Также ученые предполагают, что возникающие в ходе реакций слияния гелий-3 и тритий могли бы стимулировать вторичные ядерные реакции.
Ученые работают над реализацией управляемого термоядерного синтеза с прошлого века. Теперь им помогает машинное обучение: ранее мы писали, как нейросеть обучили управлять катушками токамака для удержания плазмы
На фото вакуумной камеры отлично видно поток дейтерия и электронов и то, как на подлете к мишени электронная составляющая разворачивается, образуя просвет перед дейтериевой оболочкой у мишени