Физики Принстонской лаборатории физики плазмы Министерства энергетики США предложили изменить последовательность подготовки плазмы к термоядерному зажиганию. Согласно расчётам, сначала её следует нагревать, а уже затем сжимать и повышать плотность. Такой порядок может заметно уменьшить энергию, необходимую для запуска самоподдерживающейся реакции.
Работа Луиса Дельгадо-Апарисио, Масаюки Оно и Джонатана Менарда опубликована в журнале Physical Review Letters. Учёные расширили критерий Лоусона — математическое правило, более 70 лет применяемое для оценки способности плазмы сохранять нужные температуру и плотность. В новую модель включили четыре дополнительных процесса: накопление гелиевой золы, загрязнение плазмы примесями, синхротронное излучение и потери тепла.
Плазма представляет собой газ, частицы которого приобрели электрический заряд из-за высокой энергии. В термоядерных установках она содержит атомные ядра, предназначенные для слияния с выделением энергии. Конечной целью считается получение горящей плазмы, где тепло от реакций поддерживает процесс без постоянного внешнего нагрева.
Исследователи сравнили достижение зажигания с поиском прохода через горный хребет. Распространённые подходы предполагают сначала увеличить плотность плазмы, а затем затратить большое количество энергии на её нагрев. Расчёты PPPL показывают, что предварительный нагрев с последующим уплотнением позволяет обойти наиболее энергозатратный участок.
Особое значение в этой схеме имеет так называемая седловина Корди — относительно доступная область на границе между плазмой, которой ещё требуется внешний нагрев, и состоянием, способным поддерживать собственные реакции. Для оценки эффективности используется показатель Q, то есть отношение мощности термоядерной реакции к мощности внешнего нагрева: например, Q = 5 означает, что реакция производит в пять раз больше энергии, чем поступает от нагревательной системы. В идеализированной плазме из чистого термоядерного топлива седловина Корди находится примерно при Q = 5, однако примеси и сильные магнитные поля могут повысить необходимое значение.
Расчёты также показали, что даже одна частица вольфрама на 10 тысяч частиц плазмы способна примерно вдвое увеличить давление, требуемое для зажигания. Этот металл используют для защиты внутренних стенок более десятка перспективных термоядерных установок из-за его высокой жаростойкости, но его попадание в плазму осложняет реакцию. В трёхмерной модели необходимое давление могло превысить предел устойчивости плазмы, тогда как потери энергии, затрудняющие запуск, одновременно способны сдерживать тепловой разгон и помогать поддерживать стабильное горение.
Результаты могут повлиять на разработку токамаков и стеллараторов — установок, где плазма удерживается магнитным полем. Среди возможных решений учёные называют жидколитиевое покрытие стенок, которое способно уменьшить поступление вольфрама и тепловые потери, а также спин-поляризованное топливо с выровненными спинами ядер. Предложенная последовательность «сначала нагрев, затем уплотнение» пока не проверена экспериментально: команда планирует изучить её с помощью компьютерного моделирования, поскольку существующие эксперименты ещё не достигали температур, соответствующих седловине Корди. Работа выполнена при поддержке Управления науки Министерства энергетики США и ряда программ в области термоядерных исследований.