Магнитное поле помогло лазерам сжать капсулу с термоядерным топливом

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.

В природе термоядерный синтез происходит в недрах звезд, но «запрячь» его на Земле — крайне сложная задача. Как и следует из названия, для термоядерного синтеза топливо требуется перевести в состояние плазмы и нагреть до температуры звездных недр – десятков или сотен миллионов градусов. Ни один материал таких условий не выдержит.

Поначалу способы приручить термоядерную энергию разделялись на два класса — с 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.

Разработка обоих подходов встретила и продолжает встречать великое множество сложностей. Оказалось, что термоядерная плазма проявляет разнообразные неустойчивости, которые выбрасывают ее на стенки контейнера в первом случае, и не дают объему с топливом как следует сжаться — во втором. Как говорят, до управляемого термоядерного синтеза всегда остается тридцать лет, независимо от того, в каком году сделан прогноз.

Столкнувшись с трудностями, ученые стали совершенствовать и комбинировать способы удержания термоядерной плазмы. Одна из идей заключается в том, что если как следует «намагнитить» топливо, и затем обстрелять его лазерами, магнитное поле поможет плазме чуть дольше удерживаться в малом объеме, и большая часть топлива успеет прореагировать.

Исследовательская коллаборация под предводительством Массачусетского технологического института (MIT) и Ариджита 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 имеется выделенное направление — силовые линии — и сферическая симметрия сжатия там невозможна. Вместо этого ученые предположили, что удержание плазмы магнитным полем компенсирует отход от идеальной симметрии.

Схема эксперимента магнитно-инерциального термоядерного синтеза. Серые стрелки показывают облучение лазером, красные – магнитное поле (Applied field). Внешняя испаряющаяся оболочка капсулы показана синим, внутренняя сжимающаяся оболочка – красным. Капсула заполнена газообразной смесью дейтерия с тритием. Сжатие увлекает силовые линии магнитного поля за собой (Flux compressed), как в установках по взрывному созданию импульсного магнитного поля. / © A. Bose, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.195002

В новых экспериментах ученые помещали капсулу с дейтерием и тритием в импульсную катушку, создающую поле до 50 тесла (поле на поверхности неодимового магнита составляет 1 тесла, а магнитное поле Земли — около 0,05 тысячных тесла). Такое сильное поле было нужно, чтобы «поймать» ионы, которые гораздо тяжелее электронов и меньше реагируют на магнитное поле. В токамаке поле составляет несколько тесла, и неудивительно, что в инерциальном эксперименте потребовалось еще более сильное поле. Лазеры облучали капсулу сверху и снизу.

Изображение плазмы в испущенных ей рентгеновских лучах в отсутствие поля (слева) и при его наличии (справа). / © A. Bose, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.195002

Оказалось, что магнитное поле до 8 тесла не влияет на имплозию капсулы, а в поле напряженностью 50 тесла облако плазмы сжалось вдоль силовых линий поля примерно вдвое сильнее, чем в отсутствие поля. Авторы исследования утверждают, что в их эксперименте именно таким образом сказывается уменьшение теплопроводности плазмы в магнитном поле, которое происходит за счет все того же препятствования движению ионов поперек силовых линий.

И немного о перспективах.

Зависимость планируемой даты запуска космического телескопа им. Джеймса Уэбба от текущей даты. © XKCD

С момента появления идеи 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, что планируемая дата его запуска зависит от даты, которую был сделан прогноз, примерно линейным образом, и две линии пересекаются в 2026 году. Сейчас на дворе 2022-й, а телескоп уже в космосе и готовится начать наблюдения. Надеемся, что с управляемым термоядерным синтезом будет похоже.