Гелий-3 разогнали до предела — и вдруг стало ясно, почему у Солнца такие причуды

На крупнейшей в мире установке типа стелларатор — Wendelstein 7-X (W7-X) — учёные впервые смогли получить высокоэнергетические ионы гелия-3 . Это событие смело можно назвать важнейшей вехой в области исследований термоядерного синтеза , и вот почему.

Эксперимент проводился на установке, расположенной в Институте физики плазмы Макса Планка ( Германия ). W7-X — одна из самых продвинутых лабораторий для изучения управляемого синтеза. В отличие от токамаков, которые формируют плазму с помощью токов, стеллараторы полагаются на сложную магнитную геометрию для удержания высокотемпературного вещества. Цель всех этих экспериментов — разработка источников энергии, имитирующих процессы, происходящие в недрах звёзд.

Один из главных вызовов в создании будущих термоядерных электростанций — это стабильное удержание плазмы с температурой в миллионы градусов. Именно внутри этой плазмы формируются альфа-частицы (ядра гелия-4), которые и поддерживают необходимую температуру реакции. Если частицы слишком быстро покидают плазму, она теряет тепло, и синтез останавливается.

Так как W7-X — это экспериментальная установка, не способная в полной мере воспроизвести все условия термоядерного реактора, учёные моделируют такие процессы с помощью более лёгких частиц. В данном случае они использовали ионы гелия-3, ускоренные до нужной энергии.

Для этого применили методику, известную как ионно-циклотронное резонансное нагревание (ICRH). Принцип можно сравнить с раскачиванием качелей: чтобы добиться максимального эффекта, каждое «плечо» должно совпадать с естественным ритмом движения. В физике — это и есть резонанс.

Метод ионно-циклотронного резонансного нагрева (ICRH) заключается в том, что в плазму, содержащую водород и гелий-4, подаются мощные радиочастотные волны в мегаваттном диапазоне. Эти волны настраиваются на частоту обращения ионов гелия-3 вокруг магнитных силовых линий — так называемую циклотронную частоту. При резонансе частицы эффективно поглощают энергию и ускоряются до заданных значений.

Впервые с помощью ICRH удалось получить высокоэнергетические ионы гелия-3 именно в стеллараторе. Ранее подобные эксперименты ограничивались токамаками, поэтому перенос этой технологии в другую конфигурацию магнитного удержания открывает новые горизонты для термоядерных исследований .

Система ICRH была разработана в рамках международного научного партнёрства Trilateral Euregio Cluster (TEC). Проект объединяет лабораторию физики плазмы Королевской военной академии в Брюсселе и два немецких института — IFN-1 и ITE в Юлихе.

Значимость этого эксперимента выходит далеко за пределы чисто энергетических задач. Исследователи подчёркивают, что аналогичные резонансные процессы могут происходить и в атмосфере Солнца, где наблюдаются так называемые облака, обогащённые гелием-3. Иногда их концентрация в солнечной короне достигает значений в 10 тысяч раз выше нормы.

Согласно гипотезе, гелий-3 в солнечной плазме может избирательно ускоряться под действием естественных электромагнитных волн. В этом смысле наблюдаемое в W7-X явление позволяет взглянуть по-новому не только на термоядерную энергетику, но и на поведение вещества в далеких светилах.