У лабораторії американського наукового комплексу National Ignition Facility (NIF) була успішно протестована система запалювання инерциального керованого термоядерного синтезу (ІУТС), дія якої забезпечують 192 лазерних пучка.

Реакція синтезу вимагає зближення двох легких ядер на фемтометровие відстані, на яких виявляють себе ядерні сили. Зближенню перешкоджають сили кулонівського відштовхування, а значить, ядрам необхідно повідомити кінетичну енергію, достатню для подолання кулонівського бар'єру. Оскільки «висота» останнього зростає пропорційно твору зарядів обох ядер, найбільш перспективними кандидатами вважаються найлегші ізотопи. В експериментах NIF будуть застосовуватися дейтерій (його ядро ​​містить один протон і один нейтрон) і тритій (протон і два нейтрони), у яких число заряду мінімально і дорівнює одиниці.

Природним способом синтезу було б прискорення ядер одного типу та бомбардування ними мішені, виконаної з другого ізотопу. Якщо, проте, енергію планується отримувати в промислових масштабах, ця схема не спрацює, оскільки перетину атомних зіткнень на багато порядків перевершують перерізу ядерних реакцій. Кінетична енергія ядер буде витрачатися на іонізацію і збудження атомів мішені, а ймовірність реалізації синтезу виявиться мізерно малою. У результаті енергія, витрачена на прискорення, перевищить енергетичний вихід корисної реакції.

Для того щоб виключити вплив процесів іонізації і збудження, зіткнення проводять у речовині, яка перебуває в стані повністю іонізованої плазми. Основним критерієм «практичності» тут стає критерій Лоусона, що визначає мінімальну частоту реакцій синтезу, достатню для їх сталого підтримки в середовищі. Його зміст зводиться до того, що з досягненням температури запуску реакції потрібно витримувати якесь співвідношення щільності частинок і часу їх утримання в обсязі, що забезпечує цю щільність.

Таким чином, синтез можна запалити при меншій концентрації частинок за рахунок більш тривалого утримання плазми, і тут фізикам повинні допомогти магнітні пастки – токамаки (тороїдальні камери з магнітними котушками). Спорудження токамака стане основним етапом міжнародного проекту ITER, експериментального термоядерного реактора, плазму на якому планують отримати в 2019 році.

ІУТС має зворотний принцип дії: пожертвувавши часом утримання плазми, вчені намагаються збільшити щільність частинок в ній і спланувати досвід так, щоб значна частина термоядерного палива згоріла ще до його розльоту. Ця схема буде працювати, якщо дейтерій-тритієву суміш у конденсованому (замороженому) стані практично миттєво нагрітийь до надвисокої температури.

У ІУТС-реакторі, як передбачається, будуть використовуватися сферичні мішені з оболонкою, що поглинає подається ззовні енергію. Вкладення енергії повинно приводити до випаровування і швидкому їх закінченню речовини (абляції) з поверхні сфери. Вибуховою процес абляції дасть спрямовану всередину ударну хвилю яка стисне і нагріє паливо, що знаходиться в центральній частині мішені, до термоядерних параметрів, після чого горіння почне поширюватися з центру до периферії.

Закачувати енергію в мішень можна різними способами, і проектувальники NIF обрали один з найбільш очевидних – лазерний вплив. При цьому 192 лазерних пучка будуть спрямовані не на саму сферу з берилієвої оболонкою і дейтерій-тритієвих наповнювачем, а на металевий циліндр, в якому вона знаходиться. Останній повинен нагріватися і віддавати отриману енергію у вигляді рентгенівського випромінювання, а воно вже буде взаємодіяти з мішенню.

Зараз співробітники NIF займаються тестуванням установки. В останніх дослідах вони оцінили умови, що виникають при опроміненні золотих циліндрів діаметром в 3,55 мм і висотою в 6,40 мм. Усередині них перебували пластикові макети реальних мішеней, заповнені гелієм.

Порівнявши дані вимірювань з теоретичними розрахунками, дослідники встановили, що ефективність перетворення лазерного випромінювання в рентгенівське доходить до 90%, а радіаційний температура циліндрів перевищує 300 еВ (3,6 млн ˚ C). Сфера стискалася рівномірно, зі зменшенням діаметру від 2,2 мм до 100 мкм. «Результати навіть перевершили наші очікування, – говорить керівник NIF Едвард Мозес (Edward Moses). – Існували деякі побоювання, що ми не досягнемо потрібної температури, але все обійшлося ».

За словами пана Мозеса, запалювання термоядерного синтезу в NIF може відбутися вже в наступному році. «Я думаю, навесні або влітку 2012-го все буде готове, – припускає вчений. – Але стверджувати не беруся ».

За матеріалами: science.compulenta

Tweet

Політика без маніпуляцій. Суспільство без брехні