Китайские учёные утверждают, что последние достижения в области инерциального термоядерного синтеза приближают нас на шаг к тому, чтобы сделать ядерный синтез реальностью.
Новые результаты, в которых используются инновационные подходы к моделированию, могут открыть новые пути для исследования тайн, связанных с физикой высоких плотностей энергии, и потенциально могут предложить окно к пониманию физики ранней Вселенной.
Использование управляемого ядерного синтеза в качестве потенциального источника чистой энергии в последние годы достигло значительных успехов, и недавнее исследование китайской команды, финансируемое Программой стратегических приоритетных исследований Китайской академии наук и опубликованное в прошлом месяце в журнале Science Bulletin, сигнализирует о следующей волне открытий, и команда называет «удивительным наблюдением» с участием сверхтепловых ионов во время наблюдений за плазмой термоядерного горения на National Ignition Facility (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии.
Инерционный термоядерный синтез
Основным компонентом, определяющим стремление к управляемому ядерному синтезу как потенциальному средству получения чистой и богатой энергии, является инерционный термоядерный синтез ICF, который основан на зажигании топливных пакетов, состоящих из дейтерия-трития (ДТ).
Ядерный синтез, процесс, питающий звезды, включает в себя слияние атомных ядер с образованием более тяжелых ядер, в результате чего высвобождается огромное количество энергии. В звездах атомы водорода превращаются в гелий в очень экстремальных природных условиях, в результате чего возникают самоподдерживающиеся реакции.
Для сравнения, в лабораторных условиях добиться воспламенения сложнее, хотя это и является важным шагом на пути к использованию термоядерного синтеза в качестве чистого, эффективного и устойчивого источника энергии. Энергия, основанная на термоядерном синтезе, использует в качестве топлива водород, производя в качестве побочного продукта только гелий, что делает ее экологически чистой. Если ее использовать для производства электроэнергии, она может стать практически безграничной и экологически безопасной альтернативой традиционным источникам энергии.
В феврале 2021 года ученые достигли состояния горящей плазмы в ходе экспериментов с внутренним удержанием, проводимых в Национальном центре воспламенения, что стало значительным шагом на пути к развитию термоядерной энергетики. В конце августа того же года в Национальной установке зажигания Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса было успешно достигнуто зажигание, о чем было рассказано в трех рецензируемых работах, опубликованных в следующем году.
При синтезе ДТ большую часть выделяемой энергии несут нейтроны, которые можно использовать для производства электроэнергии. В то же время альфа-частицы задерживаются в топливном пакете, что способствует дополнительным реакциям синтеза. Когда энергия альфа-частиц превышает энергию, полученную в результате имплозии, образующаяся плазма достигает стадии самоподдерживающегося горения, подобно тому, как это происходит на поверхности звезд, таких как наше Солнце.
Уникальный феномен плазмы
В ходе экспериментов 2021 года ученые отметили наблюдение нового физического явления, выявленного в данных, связанных со спектрами нейтронов, где данные показали значительное отклонение от предыдущих предсказаний, основанных на гидродинамике. А именно, наблюдения команды NIF в 2021 году, похоже, указывали на присутствие сверхтепловых ионов ДТ.
Открытие было значительным, особенно потому, что оно бросило вызов существующим моделям, которые диктуют скорости частиц в идеализированных газах, иначе называемые распределениями Максвелла-Больцмана. Кроме того, полученные результаты указывают на неравновесные механизмы и кинетические эффекты, которые ранее оставались неизвестными.
Моделирование таких эффектов представляет собой проблему не только для общепринятой физики, поскольку этот процесс часто включает в себя значительные энергетические обмены, которые затрудняют предсказание их кинетических эффектов. Сверхтепловые ионы образуются при столкновениях с большими углами во время этих процессов, которые являются результатом осаждения альфа-частиц. В результате возникают потенциально значительные отклонения от равновесного состояния, которые часто не поддаются простой классификации наряду со стандартными гидродинамическими наблюдениями.
Новые подходы к моделированию ионной кинетики
Недавнее китайское исследование под руководством профессора Цзе Чжана из Института физики Китайской академии наук и Шанхайского университета Цзяо Тун попыталось преодолеть эти трудности, используя новый подход: команда реализовала новую модель для столкновений с большими углами, которая учитывает влияние фоновых ионов, а также относительное движение ионов, присутствующих в бинарных столкновениях.
Предложенная командой модель позволила им создать более целостную структуру для понимания труднодостижимых элементов ионной кинетики. В частности, команда представила гибридный код LAPINS «частица в ячейке», который, благодаря интеграции с их моделью, позволил исследователям провести моделирование горящей плазмы инерциального термоядерного синтеза.
Результаты работы команды многообещающие, поскольку они позволили получить беспрецедентные данные, включающие продвижение момента зажигания до ~10 пикосекунд. Исследовательская группа также отмечает присутствие сверхтепловых ионов D ниже энергетического порога в ~34 килоэлектронвольта (кэВ), что почти в два раза превышает ожидаемую плотность осаждения альфа-частиц. Наконец, команда сообщает о наблюдении почти 24-процентного увеличения плотности альфа-частиц вблизи центра горячей точки.
Выводы команды согласуются с отдельными анализами спектральных моментов нейтронов, проведенными NIF в ходе кинетического моделирования, причем каждая партия данных выявляет расхождения между анализами спектральных моментов нейтронов и прогнозами гидродинамики, причем последние, как оказалось, растут с общим увеличением выхода.
Результаты работы команды имеют большое значение в деле освоения управляемого ядерного синтеза — области, в которой за последние месяцы произошло несколько многообещающих событий. В прошлом году совместными усилиями японских и европейских исследователей был достигнут рекордный объем плазмы, генерируемой реактором JT-60SA, расположенным в Нака (Япония).
В США Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL) также добилась значительного прогресса в области стабильности плазмы с помощью искусственного интеллекта: исследователи разработали модель обучения с подкреплением, способную предсказывать и предотвращать неустойчивости режима разрыва в термоядерной плазме.
В конечном счете, новые открытия китайской исследовательской группы способствуют дальнейшему развитию этой области и открывают новые возможности для исследований, которые позволят более тонко контролировать высокие плотности энергии в плазме ядерного горения. В конечном счете, такие открытия могут вскоре проложить путь к новым богатым источникам чистой энергии, а также открыть понимание эволюции нашей Вселенной.
