Сочетание магнитной и инерциальной схем удержания плазмы для управляемого термоядерного синтеза стало предметом новых исследований. Результаты показали, что применение мощного магнитного поля способствует более эффективному сжатию топливной капсулы.
Управляемый термоядерный синтез является самым привлекательным перспективным источником энергии на Земле. Слияние легких ядер высвобождает больше энергии, чем деление урана, и некоторые из видов термоядерного топлива распространены повсеместно. В каждом литре воды на Земле содержится 34 миллиграмма дейтерия, в которых скрывается почти в триста раз больше энергии, чем в литре бензина.
Термоядерный синтез естественным образом протекает в звёздах, однако создание условий для его реализации на Земле представляет собой чрезвычайно трудная задача. Как указывает название процесса, для начала термоядерного синтеза топливо необходимо преобразовать в плазму и нагреть до температур, сопоставимых с температурой звёздных недр – от десятков до сотен миллионов градусов. Ни один известный материал не способен выдержать такие экстремальные условия.
Изначально подходы к освоению термоядерной энергии можно было разделить на два основных класса магнитным и инерциальным удержанием плазмы. Первый способ использует тот факт, что магнитное поле препятствует движению заряженных частиц поперек силовых линий. Плазма, которая из них состоит, в достаточно сильном поле может некоторое время удерживаться, не касаясь стенок контейнера. В инерциальном удержании расчет на то, чтобы со всех сторон сжать и разогреть топливо, например с помощью сверхмощного лазера, — и сделать это настолько сильно и быстро, чтобы топливо зажглось, не успев разлететься.
Реализация обоих подходов сопряжена с серьезными трудностями, которые сохраняются и по сей день. Исследования показали, что термоядерная плазма подвержена различным нестабильностям: в первом случае они приводят к выбросам плазмы на стенки реактора, а во втором – препятствуют необходимому сжатию объема с топливом. Существует устойчивое мнение, что до достижения управляемого термоядерного синтеза всегда остается около тридцати лет, вне зависимости от даты прогноза.
В процессе решения возникающих проблем исследователи начали улучшать и комбинировать методы удержания термоядерной плазмы. Среди предлагаемых решений – идея использования сильного магнитного поля для удержания топлива, которое затем подвергается воздействию лазеров. Предполагается, что магнитное поле позволит плазме удерживаться в ограниченном пространстве более продолжительное время, и б ольшая часть топлива успеет прореагировать.
Совместное исследование, возглавляемое Массачусетским технологическим институтом (MIT) и Ариджитом Бозе изучила в экспериментах, что происходит с сильно намагниченной плазмой при сжатии и разогреве. В классической установке для инерциального синтеза капсулу с топливом диаметром около миллиметра облучают со всех сторон, чтобы создать как можно большую симметрию нагрева и сжатия. Внешняя поверхность капсулы испаряется, и реактивная сила толкает остальную часть ее стенки внутрь, сжимая топливо до плотности, в десятки раз большей, чем у свинца, и разогревая его до сотен миллионов градусов. Сферическая геометрия создает максимально возможную степень сжатия.
В магнитном поле существует определенное направление, которое называется силовыми линиями, и в нем невозможна сферическая симметрия сжатия. Вместо этого исследователи считают, что магнитное поле, удерживая плазму, позволяет компенсировать отклонение от идеальной симметрии.
В ходе новых экспериментов исследователи помещали капсулу, содержащую дейтерий и тритий, в импульсную катушку, генерирующую магнитное поле до 50 тесла (для сравнения, на поверхности неодимового магнита поле составляет 1 тесла, а магнитное поле Земли – около 0,05 тысячных тесла). Использование такого мощного поля необходимо было для удержания ионов, которые значительно тяжелее электронов и характеризуются меньшей чувствительностью к магнитным полям. В токамаках используются поля в несколько тесла, поэтому для инерциального эксперимента требовалось еще более интенсивное поле. Сверху и снизу капсулу облучали лазерами.
Магнитное поле до 8 тесла не оказывает влияния на имплозию капсулы. Однако, при поле в 50 тесла, облако плазмы сжалось вдоль силовых линий поля приблизительно вдвое сильнее, чем при его отсутствии. По мнению авторов исследования, это связано с уменьшением теплопроводности плазмы в магнитном поле, которое возникает из-за ограничения движения ионов перпендикулярно силовым линиям.
И немного о перспективах.
С момента зарождения концепции термоядерных источников энергии прошло уже почти 70 лет, и сейчас инженеры и ученые надеются, что первые киловатт-часы отправятся с термоядерных электростанций в сеть около 2048 — 2051 года. Вспомним, однако, телескоп Джеймса Уэбба: его запуск тоже многократно отодвигался, но было подмечено, дата запуска зависит от даты прогноза, демонстрируя примерно линейную зависимость, и обе линии пересекаются в 2026 году. Сейчас 2022 год, телескоп уже находится в космосе и готовится начать наблюдения. Надеемся, что с управляемым термоядерным синтезом будет похоже.