Очень странные дела. Как термоядерная энергия открывает окно в экзотическую физику

Термоядерные альфа-частицы

Открытие принадлежит специалистам экспериментального устройства термоядерной энергии National Ignition Facility (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории (LLNL) Министерства энергетики США. Физики опубликовали результаты своего исследования в журнале Science.

Ведущий автор работы Эд Хартуни подтвердил, что его команда смогла создать «первую горящую плазму на планете». Но главным открытием LLNL стали частицы внутри горящей плазмы, которые обладают неожиданно высокой энергией и нарушают законы традиционной физики.

Так называемые альфа-частицы могут помочь в достижении порога «зажигания», 一 момента создания самоподдерживающейся термоядерной реакции, которая позволит эффективно производит энергию. Хотя физики из США уточникли, что несмотря на крупный прорыв, для создания рабочего токамака, вероятно, потребуются десятилетия, «если это вообще возможно».

«Для нас настало действительно захватывающее время, когда мы наконец-то получили почти рабочую установку для зажигания и можем проводить эксперименты для исследования физики, которую мы не могли понять раньше. Это также позволило нам приблизить момент проектировки и создания будущей термоядерной установки», — заявил один из авторов исследования, физик LLNL Аластер Мур.

Ключом к обнаружению высокоэнергетических альфа-частиц стало странное поведение ионов, которое заметили ученые в рамках нескольких экспериментов за последние годы. Атомы ионов состоят из разного количества протонов и электронов, поэтому они всегда имеют электрический заряд.

Нагревая лазером ионы дейтерия и трития (тяжелые версии водорода), физики генерировали реакции синтеза между ионами. Но, оказалось, что альфа-частицы, которые появляются внутри горящей плазмы, повышают температуру еще больше и вызывают дополнительные реакции в процессе термоядерного горения.

Практические эксперименты показали, что альфа-частицы производят больше энергии, чем описано в теоретических моделях. Источник этой энергии является «открытым экспериментальным вопросом». Команда представила четыре возможных объяснения свох наблюдений, но все они требуют проведения дополнительных экспериментов и тщательного исследования полученных данных.

Термоядерные реакции NIF происходят при температурах более 82 млн градусов по Цельсию, что в разы превышает температуру солнечного ядра. «В такой неизведанной среде нам нужно точно понять, как альфа-частица сталкивается с другими частицами, распределяет свою энергию, и как они все сталкиваются», — заявили авторы работы.

Достижение состояния горящей плазмы пока является самым большим успехом в экспериментах с термоядерной энергией.

«Достижение условий, необходимых для зажигания, было давней целью всех исследований термоядерного синтеза с инерционным удержанием, что открывает доступ к новому экспериментальному режиму, в котором саморазогрев альфа-частиц опережает все механизмы охлаждения в термоядерной плазме», — говорил главный научный сотрудник программы LLNL Омар Харрикейн.

В ходе одного из экспериментов ученые зафиксировали выход энергии объемом более 1,3 мегаджоулей (МДж) всего за несколько наносекунд.

Проблема с топливом

Несмотря на то, что такие проекты, как ITER, разрабатывают с конца прошлого века, до сих пор производство термоядерной энергии — это крайне далекая цель, которая зависит от огромных государственных и частных инвестиций, международного сотрудничества, заитересованности стран в создании нового сверхэффективного источника энергии и т. д.

Уже сейчас ученые говорят о том, что проблемой на пути масштабирования потенциальных термоядерных реакторов в будущем может стать нехватка трития. По разным оценкам, в мире есть всего несколько десятков килограммов трития, а один грамм этого вещества стоит около $30 тыс.

Для работающих термоядерных реакторов будут нужны сотни или даже тонны килограммов трития в год. Текущие объемы производства трития удовлетворяют потребности научных исследований и экспериментов. Но в промышленных масштабах этого будет явно недостаточно.

Некоторые физики говорят о необходимости разработки реакторов, которые смогут одновременно сжигать и производить топливо. Для этого вокруг токамака нужно будет построить еще одну структуру, которая сможет извлекать тритий из изотопов лития-6 под воздействием плазмы. Но практических экспериментов в этом направлении пока не проводили.

В качестве альтернативы дейтерий-тритиевому топливу также предлагают использовать менее тяжелые изотопы водорода, бор, Гелий-3 и т. д.

Руководитель американской компании ТАЕ Technologies Михл Биндербауэр уверяет, что к 2030 году его предприятие представит прототип устройства «Да Винчи» седьмого поколения, который не только сможет подавать термоядерную энергию в обычную электрическую сеть, но также использовать водород и тяжелый бор p-B11 вместо трития и дейтерия.

По словам Биндербауэра, с помощью этой установки ТАЕ Technologies также сможет достичь температуры в один миллиард градусов внутри своего реактора.