Физики из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США рассчитали потенциально более экономный способ запустить самоподдерживающуюся термоядерную реакцию. По их мнению, если сначала нагреть плазму, а затем сжать её, а не наоборот, можно значительно снизить энергетические затраты для зажигания синтеза. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Более 70 лет для оценки условий, необходимых для термоядерного зажигания, учёные использовали критерий Лоусона. Это математическое правило определяет, при каких показателях плотности и температуры плазма может поддерживать реакцию без внешнего нагрева. Однако оно не описывает самый эффективный способ достичь этих условий. Американские физики усовершенствовали критерий Лоусона, включив в него четыре дополнительных фактора: накопление гелиевой «золы», загрязнение плазмы примесями со стенок реактора, синхротронное излучение и потери тепла.
Новая, более комплексная модель позволила найти оптимальную последовательность действий. Многие современные проекты термоядерных реакторов предполагают сначала сжатие плазмы для повышения плотности, а затем её нагрев до сверхвысоких температур. Расчёты команды PPPL показывают, что обратный порядок – сначала нагрев, потом сжатие – позволяет обойти пиковые энергетические барьеры и достичь цели с меньшими затратами.
Работа также выявила серьёзные риски для конструкций будущих реакторов – токамаков и стеллараторов. Многие из них предполагают использование вольфрама для внутренней облицовки камеры из-за его тугоплавкости. Расчёты показали, что если в плазму попадёт даже ничтожное количество вольфрама – в концентрации 1 к 10 000 – давление, необходимое для зажигания реакции, может вырасти вдвое. Это ставит под сомнение реализуемость некоторых проектов.
В то же время исследование обнаружило и положительный эффект. Энергетические потери, которые мешают достичь зажигания, могут одновременно стабилизировать уже горящую плазму. Они выступают естественным противовесом тепловому «разгону» – неконтролируемому самоусилению реакции, – что позволит поддерживать стабильный рабочий режим. В качестве возможных решений проблем с загрязнением и потерями энергии учёные рассматривают покрытие стенок реактора жидким литием и использование спин-поляризованного топлива.
Работа физиков носит теоретический характер и пока не подтверждена экспериментально, поскольку существующие установки не могут достичь температур, необходимых для проверки нового подхода. Команда планирует продолжить исследования с помощью компьютерного моделирования.
