Термоядерная энергия стала ближе: исследователи обнаружили способ обойти главное препятствие

Учёные из Принстонского университета обнаружили возможный способ значительно упростить достижение управляемого термоядерного синтеза. Вместо того чтобы тратить огромное количество энергии на нагрев и сжатие плазмы, они предлагают изменить последовательность действий. Расчёты показывают, что такой подход может позволить быстрее достичь условий, необходимых для устойчивой термоядерной реакции.

Именно термоядерный синтез обеспечивает энергией Солнце. В его недрах колоссальные температура и давление заставляют ядра водорода сливаться в ядра гелия, высвобождая огромное количество энергии. Если воспроизвести этот процесс на Земле, человечество потенциально получит мощный источник энергии без выбросов углекислого газа при её производстве.

Однако создать условия, существующие внутри звезды, в земном реакторе чрезвычайно сложно. Одна из главных задач — достичь так называемого зажигания, когда энергия термоядерных реакций позволяет плазме самостоятельно поддерживать необходимую температуру.

Исследователи считают, что к этому состоянию можно прийти менее затратным путём. Они сравнивают проблему с путешествием в долину, окружённую горами. Большинство существующих подходов предполагает попытку преодолеть горный хребет напрямую, затратив огромные усилия. Новый метод предлагает обойти вершины и попасть в ту же долину с гораздо меньшими затратами энергии.

«Многие компании пытаются подняться на гору напрямик и расходуют на это огромное количество энергии. Вместо этого обойдите вершину. Вы достигнете того же места гораздо более разумным способом и потратите намного меньше энергии», — объясняет физик Луис Дельгадо-Апарисио.

В основе исследования лежит критерий Лоусона — разработанная в 1950-х годах система расчётов, определяющая условия, при которых термоядерный реактор способен достичь зажигания. Учёные расширили эту модель, включив в неё четыре дополнительных фактора, которые существенно влияют на поведение плазмы.

Первый — накопление гелия, образующегося в результате термоядерных реакций. Такой гелий называют «гелиевой золой», поскольку он представляет собой продукт уже прошедшего синтеза. Второй — загрязнение плазмы веществами, попадающими в неё со стенок реактора. Третий — потери энергии из-за синхротронного излучения. Четвёртый — тепло, которое постепенно уходит из плазмы.

Все эти процессы исследовались и раньше, однако прежде их не учитывали одновременно в подобных расчётах. Объединив четыре фактора, физики получили более реалистичную картину условий, необходимых для работы термоядерного реактора.

«Когда вы исключаете эти эффекты, кажется, что конструкция будет работать прекрасно. Но стоит включить их в расчёты, и картина меняется, причём довольно существенно», — говорит исследователь Масаюки Оно.

Главным результатом стал поиск пути к зажиганию, требующего наименьших энергетических затрат. Математики называют такую точку перехода седловой точкой Корди. В аналогии с горами она соответствует наиболее удобному маршруту, позволяющему добраться до нужной долины.

Расчёты показали, что наиболее выгодная стратегия — сначала нагреть плазму, а уже затем увеличить её плотность. Именно такая последовательность позволяет достичь необходимых условий с меньшими затратами энергии. Обратный порядок, при котором сначала повышают плотность, оказался менее эффективным.

Но исследование выявило и другие важные особенности. Например, даже совсем небольшое количество вольфрама, попавшего в плазму, способно сорвать термоядерную реакцию.

Это особенно важно для будущих реакторов, поскольку вольфрам планируют использовать в их внутренних стенках. Металл хорошо выдерживает чрезвычайно высокие температуры, однако его попадание в плазму может помешать зажиганию. Следовательно, конструкторам придётся предусмотреть надёжную защиту от такого загрязнения.

Ещё одно неожиданное открытие связано с потерями энергии. Обычно излучение и утечку тепла рассматривают как нежелательные процессы, затрудняющие поддержание высокой температуры. Однако расчёты показали, что эти потери способны выполнять роль естественных «тормозов», помогая стабилизировать термоядерные реакции.

Возникает своеобразный компромисс: потери энергии затрудняют первоначальное зажигание, но после его достижения могут способствовать устойчивости плазмы. Поэтому при проектировании реакторов необходимо учитывать не только условия запуска реакции, но и её дальнейшее поведение.

Авторы подчёркивают, что по мере перехода от экспериментов с термоядерной плазмой к созданию полноценных электростанций подобные расчёты становятся особенно важными. Они позволяют оценивать вероятность достижения зажигания, стабильность реакции и эффективность будущего оборудования.

При этом исследование пока остаётся теоретическим. Учёные не проводили физических экспериментов, а получили результаты с помощью математического моделирования. Поэтому предложенный путь ещё предстоит проверить на практике.

Тем не менее результаты могут оказаться полезными уже сейчас. Во всём мире разрабатываются проекты новых термоядерных реакторов, и более точные расчёты способны помочь инженерам избежать неудачных конструктивных решений, сократить расходы и сэкономить время разработки.

Среди специалистов по-прежнему нет единого мнения о том, когда появятся действующие термоядерные электростанции и удастся ли вообще довести эту технологию до практического применения. Но новая работа показывает, что путь к цели может оказаться менее энергозатратным, чем считалось ранее.

«Хотя необходимы дополнительные исследования, мы воодушевлены полученными результатами. Они указывают ясное направление для дальнейшей работы в этой области», — отмечает физик Джонатан Менард.

Исследование опубликовано в научном журнале Physical Review Letters.