Физики рассчитали более эффективный путь к термоядерному зажиганию
- Физики Принстона рассчитали, что для зажигания эффективнее сначала нагреть плазму, а затем увеличить её плотность.
- В модели объединили четыре фактора энергетического баланса; даже небольшое загрязнение плазмы вольфрамом может сорвать реакцию.
- Подход пока не проверяли в экспериментальном реакторе; результаты опубликованы в Physical Review Letters.
Почему это важно: Расчёты могут помочь точнее выбирать параметры будущих установок, сократить число неудачных проектных решений и расходы на разработку.
Физики из Принстонского университета предложили способ упростить достижение термоядерного зажигания — состояния, при котором реакции синтеза в плазме выделяют достаточно энергии, чтобы поддерживать её высокую температуру без постоянного внешнего нагрева. Расчёты показали, что эффективнее сначала нагреть плазму, а затем увеличить её плотность, а не действовать в обратном порядке. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Для термоядерной энергетики необходимо воспроизвести на Земле процесс, который питает Солнце: лёгкие атомные ядра сливаются в более тяжёлые, выделяя энергию. Одна из главных трудностей заключается в достижении зажигания — режима, при котором энергия термоядерных реакций позволяет плазме сохранять необходимую температуру
В основу работы положен критерий Лоусона — разработанный в 1950-х годах набор условий, необходимых для поддержания термоядерной реакции. Команда дополнила расчёты четырьмя факторами, которые влияют на энергетический баланс плазмы: накоплением гелия — продукта реакции, загрязнением плазмы материалами стенок реактора, потерями энергии на синхротронное излучение и утечкой тепла. Каждый из этих эффектов изучали и раньше, но сейчас их впервые объединили в одной модели, чтобы точнее оценить условия зажигания.
Расчёты также выявили потенциально критическую проблему с вольфрамом. Этот металл рассматривают для изготовления стенок будущих термоядерных установок благодаря его высокой жаростойкости, однако даже небольшое количество вольфрама, попавшее в плазму, может сорвать термоядерную реакцию. Поэтому конструкция реактора должна предотвращать загрязнение плазмы этим материалом.
При этом некоторые процессы, затрудняющие запуск синтеза, могут помогать стабилизировать его после начала реакции. Моделирование показало, что излучение и утечка тепла способны выступать естественными ограничителями плазменных реакций, хотя одновременно усложняют достижение зажигания.
Работа пока что основана исключительно на расчётах: команда не проверяла предложенный подход в экспериментальном реакторе. Тем не менее результаты могут помочь точнее выбирать параметры будущих установок, оценивать возможность достижения зажигания и учитывать факторы, способные помешать работе реактора. По мере перехода термоядерных исследований от экспериментов с горящей плазмой к энергетическим установкам такие расчёты могут сократить число неудачных проектных решений и расходы на разработку.
© iXBT
