Ученые из Национальной лаборатории Сандиа (Sandia National Laboratories), Нью-Мексико, работающие с так называемым энергетическим ускорителем Z-machine, колоссальным генератором электрических импульсов, способным выработать электрический ток, силой в десятки миллионов ампер, сообщили, что в ходе последних экспериментов им удалось зарегистрировать большое количество вторичных нейтронов, которые являются одним из продуктов реакции ядерного синтеза. И это, по мнению ученых, демонстрирует жизнеспособность используемого ими метода инициирования реакции ядерного синтеза, который кардинально отличается от других подобных методов.
Ядерный синтез является одной из разновидностей ядерных реакций, в ходе которых выделяется большое количество энергии. Но, вместо расщепления ядер тяжелых элементов, что используется на всех атомных электростанциях, во время ядерного синтеза два ядра легких элементов сливаются в одно ядро более тяжелого элемента. Такой метод рассматривается как наиболее перспективный источник энергии, способный решить энергетические проблемы всего человечества, ведь используемого в качестве топлива водорода на Земле и в космосе достаточно много, ядерный синтез не производит загрязнений окружающей среды и долгоживущих радиоактивных ядерных отходов.
Единственная проблема, об которую ученые уже сломали огромное количество копий, заключается в том, что ядра атомов топлива имеют положительный электрический заряд и отталкиваются друг от друга. Для того, чтобы заставить столкнуться ядра водорода так, чтобы они смогли синтезировать ядро гелия, их надо разогнать до скорости более 1000 километров в секунду, что требует нагрева топлива до температуры 50 миллионов градусов по шкале Цельсия. При такой температуре газ превращается в высокотемпературную плазму, в "суп" состоящий из голых ядер и свободных электронов, и удержание всего этого в ограниченном объеме также становится огромной проблемой с технической точки зрения.
Ученые, интенсивно работающие в области ядерного синтеза уже более 60 лет, пытаются найти способ нагрева топлива и удержания высокотемпературной плазмы до полного завершения реакций термоядерного синтеза. В настоящее время все усилия сосредоточены в двух главных направлениях, на разработке реактора типа Токамак, реактора ITER, строительство которого ведется на юге Франции, в недрах которого процесс нагрева топлива и удержания плазмы производится за счет сжатия сильным магнитным полем. Второй метод реализуется учеными из Америки, которые работают на установкеNational Ignition Facility (NIF) в Калифорнии, которая моментально разогревает и сжимает замороженный до твердого состояния водород чрезвычайно мощным коротким импульсом лазерного света, длящимся всего несколько десятков миллиардных долей секунды. К сожалению, ни одна из вышеупомянутых технологий еще не перешла предела положительного энергетического баланса, точки, в которой количество выделяющейся энергии превышает количество энергии, затраченной за инициацию реакции ядерного синтеза.
Технология, используемая учеными из лаборатории Сандия, является своего рода комбинацией двух технологий, которые были описаны выше. Она нагревает топливо одним чрезвычайно мощным импульсом, но не столь быстро, как лазеры NIF. В этой технологии, имеющей название magnetized liner inertial fusion (MagLIF), газ дейтерия, изотопа водорода, помещается в металлический контейнер, размерами 5 на 7.5 миллиметров. При помощи энергетического ускорителя Z-machine через этот контейнер пропускается электрический ток, силой 19 миллионов ампер, а длительность импульса составляет порядка 100 наносекунд. Импульс тока создает чрезвычайно мощное магнитное поле, сжимающее контейнер с невероятной силой, при этом, скорость деформации контейнера составляет 70 километров в секунду.
Одновременно со сжатием цилиндрического контейнера исследователи подогревают топливо коротким импульсом лазерного света и воздействуют на все это постоянным магнитным полем, которое действует как ловушка для получающейся плазмы. При этом, высокотемпературная плазма за счет некоторых физических эффектов выступает в качестве усилителя магнитного поля, увеличивая его силу с 10 дл 10 тысяч Тесла. И этот момент является ключевым моментом технологии MagLIF, позволяющим удержать высокотемпературную плазму в маленьком замкнутом объеме.
На прошедшей неделе исследователи из лаборатории Сандиа объявили о том, что им удалось нагреть плазму до температуры в 35 миллионов градусов по шкале Цельсия. При этом, датчики зарегистрировали порядка 2 триллионов нейтронов, излучаемых при каждом "выстреле" установки. Расчеты показали, что количество реакций ядерного синтеза в 100 раз превышает количество, которое было зарегистрировано в экспериментах прошлого года. Но для достижения порога положительного энергетического баланса ученым потребуется увеличить количество реакций еще в 10 тысяч раз.
"Мы добились значительного прогресса в деле инициации реакций ядерного синтеза. Но это является всего лишь началом правильного пути, который нам удалось нащупать буквально в последнее время" - рассказывает Майк Кэмпбелл (Mike Campbell), старший научный сотрудник лаборатории Сандиа, - "Теперь мы работаем над тем, чтобы получить возможность закачать в топливо еще большее количество энергии и увеличить силу начального постоянного магнитного поля. И только после этого мы сможем увидеть, в каком направлении нам следует двигаться дальше".
Следует отметить, что моделирование, выполненное учеными лаборатории Сандиа, показало, что для достижения положительного энергетического баланса ядерного синтеза им потребуется увеличить силу тока импульса ускорителя Z-machine до значения в 27 миллионов Ампер. Тем не менее, планируемая модернизация ускорителя Z-machine сможет обеспечить выработку им импульсов тока, силой до 60 миллионов Ампер, что, по мнению ученых, должно позволить им гарантированно "зажечь солнце" самоподдерживающейся реакции ядерного синтеза.
