Учёные, возможно, нашли короткий путь к термоядерной энергии: новая модель зажигания
Учёные Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) разработали обобщённую модель критерия Лоусона-Корди-Миллса, которая учитывает реальные физические процессы, способные существенно изменить требования к зажиганию термоядерной реакции.
Классический критерий Лоусона — единый порог, определяющий условия, при которых термоядерная реакция становится самоподдерживающейся. Новая работа, опубликованная в Physical Review Letters, показывает, что трактовка этого критерия как неизменного порога упускает три ключевых физических процесса: загрязнение плазмы (примеси из материалов внутренней облицовки реактора, мешающие условиям синтеза), синхротронное излучение (электроны, движущиеся через магнитные поля, теряют энергию) и потери тепла (энергия непрерывно покидает плазму, и потери растут с температурой).
«Когда вы опускаете эти эффекты, вы говорите, что конструкция будет работать отлично, — сказал Масаюки Оно. — Когда вы их включаете, картина меняется, и это становится весьма важным». По словам Оно, цель — установить более надёжную, широко применимую модель для оценки конструкций реакторов до начала строительства.
Маленькие количества вольфрама могут затруднить синтез
Особенно яркое открытие касается вольфрама — чрезвычайно жаропрочного металла, выбранного для внутренних стенок более чем дюжины реакторов нового поколения. Вольфрам привлекателен, потому что реакторам приходится выдерживать температуры плазмы выше, чем в центре Солнца. Однако материал создаёт серьёзную проблему, если даже крошечные его количества попадают в плазму. Расчёты команды показывают, что загрязнение вольфрамом в концентрации всего 1 часть на 10 000 может примерно удвоить давление, необходимое для зажигания. В первоначально двумерных расчётах, при расширении до трёх измерений, давление, нужное для зажигания, могло превысить пределы, при которых плазма остаётся стабильной.
Как потери энергии помогают стабилизировать синтез
Удивительно, но некоторые процессы, затрудняющие зажигание, могут также помогать реакторам работать безопаснее и стабильнее. Учёные давно исследуют тепловую «неустойчивость убегания»: когда тепло от реакций увеличивает скорость реакции, порождая ещё больше тепла и потенциально самоподдерживающийся цикл. Исследователи обнаружили, что потери энергии в плазме естественным образом противодействуют этому эффекту. Хотя эти потери повышают сложность достижения зажигания, они дают балансирующее влияние, позволяющее горящей плазме поддерживать стабильное рабочее состояние без постоянных корректировок. В отличие от атомной электростанции, термоядерная система удерживает лишь секунды топлива за раз, поэтому потеря контроля означает охлаждение плазмы и остановку горения, а не что-то худшее.
Жидкий литий и продвинутое топливо
Исследование также выявляет технологии, которые могут преодолеть некоторые препятствия. Покрытие внутренней части реакторов жидким литием может предотвратить попадание вольфрама в плазму и снизить потери тепла. Другой перспективный подход — использование спин-поляризованного топлива: подготовка атомных ядер так, чтобы их спины выстраивались до синтеза, что может увеличить скорость реакции. Вместе эти стратегии могли бы улучшить производительность будущих реакторов.
Несмотря на многообещающие результаты, предложенный подход «сначала нагрев» ещё не продемонстрирован экспериментально: исследование теоретическое и опирается на математические расчёты. Команда планирует продолжить изучение через цифровые эксперименты и компьютерное моделирование. Работа поддержана Office of Science Министерства энергетики США.
