Управляемый термояд всё ближе: давление в 10 000 раз больше атмосферного и температура в тысячи раз горячее Солнца — в обычной лаборатории

Американский стартап приблизился к заветной мечте человечества — управляемому термоядерному синтезу, создав в лаборатории условия, которые обычно встречаются лишь в недрах планет. Компания Zap Energy из Сиэтла сумела достичь в своей установке давления, превышающие те, что царят на дне самой глубокой океанской впадины.

Термоядерный синтез — это процесс, при котором легкие атомные ядра сливаются в более тяжелые, высвобождая колоссальное количество энергии. Именно так "работает" Солнце, превращая водород в гелий и освещая нашу планету уже миллиарды лет. Однако воспроизвести подобный процесс на Земле крайне сложно — ядра атомов отталкиваются друг от друга с огромной силой, и заставить их слиться можно только при экстремальных температурах и давлениях.

Исследователи из Zap Energy работают с особым состоянием вещества, которое называется плазмой. Представьте себе газ, нагретый до таких температур, что электроны отрываются от атомных ядер и начинают носиться отдельно — получается своеобразный "суп" из заряженных частиц. В недавних экспериментах им удалось сжать такую плазму до давления 830 мегапаскалей. Чтобы понять масштаб этого достижения, достаточно сказать, что это давление в 10 000 раз превышает обычное атмосферное и в 10 раз больше того, что испытывает батискаф на дне Марианской впадины.

Результаты были представлены на конференции Американского физического общества в Калифорнии и стали рекордными для технологии, которую ученые называют Z-пинч, стабилизированный сдвиговым потоком. За этим сложным названием скрывается относительно простая идея: плазму сжимают с помощью мощных электрических разрядов, а специальные потоки газа не дают ей разлететься в стороны.

"В нашей новой установке FuZE-3 произошли кардинальные изменения по сравнению с предыдущими системами, и замечательно видеть настолько впечатляющие результаты практически с первых экспериментов", — рассказывает Колин Адамс, руководитель исследований в сфере экспериментальной физики.

Секрет успеха кроется в инженерном решении, которое на первый взгляд может показаться незначительным. Инженеры добавили в установку третий электрод — металлическую пластину, через которую проходит электрический ток. Такая модификация позволила раздельно управлять 2-я критически важными процессами: разгоном частиц плазмы и их сжатием. Раньше эти процессы были связаны, что ограничивало возможности точной настройки.

Термоядерный синтез чрезвычайно требователен к условиям. Плазму нужно одновременно нагреть до температур в десятки миллионов градусов и сжать до плотностей, превышающих плотность твердых материалов. В экспериментах FuZE-3 электроны разгонялись до температур свыше 21 миллиона градусов по Фаренгейту — это в тысячи раз горячее поверхности Солнца. При этом плотность частиц достигала от 3 до 5 × 10²⁴ штук на кубический метр.

Подход Zap Energy кардинально отличается от гигантских проектов вроде французского токамака ITER или американских лазерных установок. Вместо сложнейших магнитных систем, весящих тысячи тонн, или батарей мощнейших лазеров инженеры создали относительно компактную установку, где плазма удерживается в тонкой колонне высокоскоростными потоками.

Главное преимущество такого подхода — масштабируемость. Гигантские токамаки требуют международного сотрудничества и десятилетий строительства. Z-пинч установки можно построить в обычной лаборатории и быстро модифицировать для новых экспериментов.

Экстремальные условия, созданные в FuZE-3, удерживались всего около одной микросекунды — миллионной доли секунды. Но даже за это ничтожное время ученые сумели провести точные измерения с помощью метода, который называется томсоновское рассеяние. Лазерный луч просвечивает плазму, а по характеру рассеянного света можно определить температуру и плотность заряженных частиц.

"Возможность независимо контролировать ускорение и сжатие плазмы дает нам новый инструмент для тонкой настройки физических процессов и увеличения плотности частиц", — объясняет Адамс. Предыдущие двухэлектродные системы хорошо справлялись с нагревом, но не могли обеспечить то сжатие, которое предсказывали теоретические модели.

Успех измеряется в термоядерной физике специальной величиной, которая называется тройное произведение. Она объединяет 3 ключевых параметра: плотность плазмы, её температуру и время, в течение которого удается удерживать эти условия. Чем выше тройное произведение, тем ближе установка к заветной цели — получению большего количества энергии, чем было затрачено на создание и поддержание реакции.

Достигнутые результаты приближают Zap Energy к моменту, когда коэффициент энергетического выигрыша Q превысит единицу. Это означает, что реакция будет производить больше энергии, чем потребляет, открывая путь к практическому использованию термоядерного синтеза.

Компактный подход Z-пинч может оказаться ключом к созданию коммерческих термоядерных электростанций. Вместо гигантских комплексов размером с футбольное поле энергетики смогут строить относительно небольшие реакторы, которые впишутся в существующую инфраструктуру городов и промышленных предприятий.