Нові фізичні явища: що означають останні дослідження термоядерних реакцій
Китайські дослідники виявили незвичну поведінку плазми під час реакції термоядерного синтезу. Ці дані можуть стати наступним кроком до комерціалізації екологічно чистого джерела енергії, повідомляє The debrief. Розповідаємо, що відомо про наукову працю та її результати.
Що таке термоядерний синтез
Це метод отримання енергії, який базується на злитті атомних ядер (термоядерна реакція) під дією надзвичайно високих температур та тиску. Два, або більше, атомні ядра об'єднуються, формуючи важче ядро. Переважно використовують ізотопи водню (дейтерій та тритій). Побічним продуктом реакції є гелій.
Та лише відносно нещодавно (у 2021-му) американським вченим вдалося продемонстрували те, що називається запалюванням термоядерного синтезу. Тобто реакція термоядерного синтезу виробляла більше енергії, ніж вводиться в реакцію із зовнішнього джерела, і була здатною до самопідтримування.
Два типи термоядерного синтезу
Експерименти з керованого термоядерного синтезу поділяють на дві категорії:
- магнітний термоядерний синтез,
- інерційний термоядерний синтез.
Підписуйтеся на наші соцмережі
У першому випадку використовують магнітну пастку, щоб утримати плазму в стабільному стані. У другому — необхідний стан плазми досягається завдяки інерції частинок.
У лабораторних умовах досягти злиття ядер атомів досить складно, але процес запалювання є важливим кроком до використання термоядерного синтезу як чистого, ефективного та сталого джерела енергії.
Для порівняння, лише наприкінці 2022-го у Національному комплексі лазерних термоядерних реакцій (NIF) у Ліверморській національній лабораторії цього вдалось досягти. NIF використовував постріли 192 лазерів у гранулу палива водню завбільшки 1 мм, яка зберігалась у золотій каністрі. Коли лазери потрапляють на каністру, вони створюють рентгенівське випромінювання, яке нагріває та стискає паливну гранулу приблизно до 20-кратної щільності свинцю та до понад 3 млн градусів Цельсія. Це приблизно у 100 разів гарячіше, ніж поверхня Сонця.
У результаті за мільярдну частку секунди капсула дейтерій та тритій прореагували під впливом 2 млн джоулів енергії та виділили 3 млн. Це невеликі обсяги. Витрати енергії лабораторії еквівалентні 4-5 стандартних павербанків для телефону або енергії, яку людина отримує з одного великого обіду. Однак якщо вдасться утримувати такий стан бодай хвилини, то кількість енергії буде колосальною.
Плазмовий феномен
Під час експериментів 2021 року вчені відзначили спостереження нового фізичного явища, виявленого в даних, пов’язаних зі спектрами нейтронів (це розподіл енергій нейтронів, які утворюються внаслідок реакцій синтезу, є важливим джерелом інформації про стан і поведінку плазми. — Ред.). Дані виявили значне відхилення від попередніх прогнозів, заснованих на гідродинаміці (теорії, яка описує рух і властивості плазми). Спостереження команди NIF у 2021 році, здавалося, вказують на наявність надтеплових іонів дейтерію та тритію.
Надтеплові іони — це іони, які мають набагато вищу енергію, ніж більшість частинок у плазмі. Їхня поява може бути викликана різними фізичними процесами, як-от аномальні хвилі, нестабільності або взаємодії між іонами та електромагнітними полями.
Тобто результати вказують на нерівноважні механізми та кінетичні ефекти, які раніше залишалися невизнаними. Нерівноважні механізми означають, що система (у цьому випадку плазма) не перебуває в термодинамічній рівновазі, тобто частинки у плазмі можуть мати сильно різні енергії через зовнішні впливи, як-от лазерні імпульси, магнітні поля чи плазмові нестабільності.
Надтеплові іони утворюються, коли під час цих процесів відбуваються великокутові зіткнення частинок, які є результатом осадження альфа-частинок (ядра гелію, які утворюються під час термоядерної реакції).
У чому полягає відкриття китайських вчених
Проблема у тому, що зіткнення частинок досить важко прогнозувати та передбачити їхню траєкторію. Команда вчених під керівництвом професора Цзе Чжана з Інституту фізики Академії наук Китаю прагнули подолати такі проблеми за допомогою нового підходу і реалізувала нову модель великокутових зіткнень (передбачають велику передачу енергії або імпульсу за одне зіткнення), що також впливає на фонові іони поряд, присутні у подвійних зіткненнях.
Команда також створила спеціальну комп'ютерну програму під назвою LAPINS. Ця програма, використовуючи їхній новий метод спостереження, може створювати дуже точну симуляцію плазми на комп'ютері. Така модель дозволяє вченим краще розуміти і передбачати, що відбувається всередині термоядерного реактора, не проводячи дорогих експериментів.
Що це означатиме для термоядерної науки
Насамперед нова модель великокутових зіткнень дасть вченим краще розуміння того, що відбувається всередині плазми під час термоядерної реакції.
По-друге, виявлення більшої кількості надтеплових D-іонів та підвищеної густини альфа-частинок означає, що реакція синтезу може бути ефективнішою, ніж вважалося раніше. Такі дані дозволяють вченим оптимізувати конструкцію реакторів для досягнення кращих результатів.
По-третє, новий код для моделі LAPINS дозволяє проводити більш точні симуляції процесу термоядерного синтезу. Це, ймовірно, найважливіше, оскільки реальні експерименти з термоядерним синтезом дуже дорогі та складні. Тобто ці відкриття наближають нас до створення практичного термоядерного реактора, адже розбіжності між теоретичними прогнозами та реальними результатами, які раніше спостерігались, тепер можна краще пояснити та врахувати при проєктуванні майбутніх установок. Але варто зазначити, що ми досі далекі від комерційного використання термоядерної енергії.
