Луїс Делгадо-Апарісіо (Luis Delgado-Aparicio), Масаюкі Оно (Masayuki Ono) та Джонатан Менард (Jonathan Menard) з PPPL розробили розширену версію цього критерію. Вони додали до нього чотири додаткові фізичні фактори, які впливають на роботу майбутніх реакторів, і на цій основі окреслили маршрут до запалювання, що потребує значно менших енерговитрат. Робота опублікована в журналі Physical Review Letters.

Дослідження зосереджене на плазмі — так званому четвертому стані речовини, коли газ настільки енергетичний, що його частинки набувають електричного заряду. У термоядерних установках саме в плазмі повинні зливатися атомні ядра, виділяючи енергію. Головна мета — отримати «горючу плазму», де тепло від синтезу саме підтримує реакцію без безперервного зовнішнього підігріву.

Обхідний шлях через «перевал» Корді

Делгадо-Апарісіо порівнює задачу із подоланням гірського хребта: більшість нинішніх стратегій намагаються «лізти в лоб» — спочатку різко підвищити густину плазми, а вже потім розігріти її до екстремальних температур. Це відповідає руху через найвищу «енергетичну вершину».

Нові розрахунки показують, що значно вигідніше робити навпаки: спочатку сильніше нагріти плазму, а потім збільшувати її густину. Така послідовність прокладає маршрут, що оминає максимум енергетичних вимог, але все одно приводить до потрібних умов запалювання.

У цій математичній «місцевості» вчені виділяють особливо важливу зону — так зване «сідло Корді» (Cordey saddle). У географічному сенсі сідло — це відносно низький перевал між висотами. Для плазми це точка на межі між станом, який ще потребує зовнішнього нагріву, і режимом, де реакція синтезу вже може себе підтримувати.

Щоб порівнювати різні сценарії, дослідники використали параметр Q — відношення потужності, яку дає синтез, до потужності, що подається на нагрів плазми. У ідеалізованій плазмі з «чистим» паливом сідло Корді відповідає приблизно значенню Q = 5. Однак у реальних установках домішки та сильні магнітні поля зміщують положення цього «перевалу», підвищуючи потрібне Q.

Чотири ключові ефекти, які змінюють гру

Щоб отримати більш реалістичну картину, автори вперше одночасно врахували кілька важливих процесів, які зазвичай розглядали окремо:

• Накопичення «золи» гелію. Продукт реакцій синтезу — гелій — з часом розбавляє паливо і знижує ефективність.
• Забруднення плазми домішками. Легкі й важкі елементи, що потрапляють із внутрішньої обшивки реактора, погіршують умови синтезу.
• Синхротронне випромінювання. Електрони, які рухаються в магнітному полі, випромінюють енергію та охолоджують плазму.
• Втрати тепла. Енергія постійно «витікає» з плазми, і ці втрати можуть посилюватися з ростом температури.

Облік цих ефектів показує, що просте використання критерію Лоусона як фіксованого порогу є занадто оптимістичним. За словами Оно, модель має допомогти конструкторам реальних установок заздалегідь оцінювати досяжність запалювання і уникати дорогих помилок ще до будівництва експериментальних реакторів.

Вольфрам: корисний захист і небезпечна домішка

Окремий і дуже показовий результат стосується вольфраму. Це надзвичайно термостійкий метал, який обрали для внутрішніх стінок понад десятка наступних поколінь установок синтезу — зокрема тому, що їм доведеться витримувати температури плазми вище, ніж у центрі Сонця.

Однак навіть слідові кількості вольфраму в самій плазмі різко погіршують ситуацію. Розрахунки показали, що забруднення вольфрамом на рівні лише одна частина на 10 000 може приблизно подвоїти потрібний тиск для досягнення запалювання. Коли модель розширили з двовимірної до тривимірної, виявилося, що необхідний тиск може перевищити межі стабільності плазми.

Це означає, що на перший погляд незначне забруднення може зробити деякі проєкти реакторів практично нереалістичними без додаткових технологічних рішень.

Як втрати енергії допомагають стабільності

Несподівано вчені з’ясували, що процеси, які ускладнюють запалювання, можуть одночасно допомагати реактору працювати стабільніше. У термоядерній енергетиці давно обговорюють ризик «теплової розгону» — коли виділене тепло прискорює реакцію, ще більше підвищує температуру і запускає лавиноподібний процес.

Розрахунки показують, що енергетичні втрати з плазми природно протидіють такому розгону. Вони підвищують поріг для запалювання, але водночас забезпечують баланс, завдяки якому горюча плазма може тривалий час залишатися в стабільному режимі без постійних ручних коригувань.

На відміну від атомних реакторів поділу, де зберігається велика кількість палива, у термоядерних системах у камері одночасно є запас лише на секунди. Тому у разі втрати керування плазма просто охолоджується, і реакція зупиняється.

Рідкий літій і поляризоване паливо як потенційні рішення

Автори також вказують на технології, які можуть компенсувати виявлені труднощі. Один з напрямків — покриття внутрішніх поверхонь реакторів рідким літієм, яке в PPPL вивчають уже багато років. Таке покриття може обмежити потрапляння вольфраму в плазму і зменшити втрати тепла, полегшуючи підтримання потрібних екстремальних умов.

Ще одна перспективна ідея — використання палива зі спіновою поляризацією, коли спіни ядер попередньо вирівнюють перед реакцією. Це здатне підвищити ймовірність зіткнень, що ведуть до синтезу, і, відповідно, збільшити потужність реакції за тих самих умов.

Поки що теорія, далі — цифрові експерименти

Нова стратегія «спершу нагрівати, потім стискати» поки що існує лише в теоретичній формі. Розрахунки базуються на математичних моделях, а не на прямих вимірюваннях. Чинні експерименти з магнітним утриманням плазми ще не досягали температур, характерних для області сідла Корді, тож перевірити цей шлях безпосередньо поки неможливо.

Команда PPPL планує продовжити дослідження за допомогою комп’ютерного моделювання, щоб оцінити, чи справді попередній нагрів плазми до стискання дає очікувані переваги. Якщо подальші роботи підтвердять результати, це може стати важливою основою для проєктування ефективніших токамаків і стелараторів та кращого вибору майбутніх проєктів пілотних термоядерних установок.

Автори наголошують, що попри необхідність додаткових перевірок, нова модель задає чіткий напрям для наступних досліджень і допоможе уникати дорогих помилок у розробці термоядерних енергетичних систем.

Новий підхід до запалювання термоядерного синтезу різко знижує вимоги з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com