Термоядерная энергия — это попытка зажечь на Земле маленькое Солнце. Для этого плазму из изотопов водорода нужно разогреть до сотни миллионов градусов и сжать достаточно плотно. Главная цель — зажигание: момент, когда реакция начинает сама себя подогревать и больше не нуждается во внешнем нагреве. Физики Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) рассчитали, что к зажиганию можно прийти, потратив меньше энергии, если поменять порядок действий. Работа опубликована в Physical Review Letters.
Как обычно планируют
Чтобы реакция пошла, нужно сразу три вещи: высокая температура, высокая плотность плазмы и хорошая теплоизоляция, чтобы тепло не уходило. Большинство проектов реакторов предполагает поднимать температуру и плотность одновременно, двигаясь к зажиганию по «прямой».
Расчёт PPPL предлагает другой маршрут: сначала разогреть плазму при относительно небольшой плотности, а уже потом добавлять топливо и повышать плотность. По такому пути, как показывает модель, зажигание обходится дешевле.
Реальные потери
Модель учитывает четыре вида потерь, которые мешают настоящим реакторам. Это гелиевая «зола» — продукт реакции, который разбавляет топливо. Примеси, которые попадают в плазму из стенок. Излучение электронов, которые закручиваются в магнитном поле. И тепло, которое тем сильнее утекает, чем горячее плазма.
Подвох в стенках
Самый неприятный враг — вольфрам. Из него делают стенки многих современных реакторов, потому что он выдерживает огромный жар. Но если атомы вольфрама попадают в плазму, они уносят энергию излучением. Расчёт показывает: всего одна частица вольфрама на 10 000 частиц плазмы примерно вдвое повышает давление, нужное для зажигания. В некоторых условиях это давление может оказаться выше, чем плазма способна устойчиво выдержать.
Пока только расчёт
Важно понимать: это теоретическая работа. Ни одна установка пока не проверяла путь «сначала нагрев». Существующие реакторы ещё не достигали температур, при которых новый маршрут дал бы преимущество. Так что это скорее подсказка конструкторам будущих реакторов, чем готовый рецепт.
Если хочется разобраться, откуда берётся энергия синтеза, посмотрите наши ролики о том, почему горит Солнце и что такое дефект массы.
