Ударный синтез предлагает переводить алмазы в энергию

Одним из самых экзотических методов управляемого термоядерного синтеза — "ударным" (Impact Fusion) — несколько лет занимается группа исследователей из Пекинского университета (Peking University) и его лаборатории ядерной физики и технологии (State Key Laboratory of Nuclear Physics and Technology).

За последнюю пару лет китайские специалисты выпустили несколько работ по этой теме: статью, размещённую на сайте МАГАТЭ (PDF-документ), материал, вышедший в журнале Nuclear Fusion и результат свежего численного моделирования, выложенный в Сеть университетом. Все эти исследования велись на кончике пера, однако в будущем, возможно, они выльются в какие-то натурные эксперименты.

Первое направление в управляемом синтезе: системы с относительно длительным удержанием и разогревом плазмы. Это различного вида стеллараторы, токамаки (на рисунке – самый масштабный проект такого рода – ITER) и экзотический левитирующий диполь. Второе: импульсные системы, в которых задача удержания топлива возложена на силы инерции. В таких устройствах предполагается генерировать серию микроскопических термоядерных взрывов. Самый яркий пример – американская установка со 192 мощными лазерами для кругового обстрела мишени. Менее известны проекты с ионным обстрелом (иллюстрация с сайта iter.org).

Идея китайцев на первый взгляд проста. Нужно разогнать "пулю" или "снаряд" в виде миллиметрового алмаза до скорости порядка тысячи километров в секунду и направить его на сантиметровую мишень, состоящую из замороженного кристаллического метана, но не простого, а дейтерий-тритиевого (CD₂T₂). Энергия удара должна довести вещество в мишени до давления и температуры, достаточных для зажигания термоядерного синтеза — гласит основной вывод физиков.

Принципиальная схема установки для ядерного синтеза, придуманной в Пекинском университете. Одной из главных трудностей тут видится прецизионная синхронизация выстрелов двух "пушек" – с алмазом и кусочком метанового льда (иллюстрация Y. A. Lei, J. Liu, Z. X. Wang, C. Chen).

Дейтерий-тритиевый метан, да ещё в виде льда, учёные выбрали потому, что он обладает высокой концентрацией дейтерия и трития, а также хорошо останавливает альфа-частицы (рождающиеся в ходе синтеза), что вместе снижает жёсткие требования к параметрам, при которых инициируется и поддерживается реакция.

Миллиметровая (цилиндрик или кубик) алмазная "пуля" (авторы технологии называют такую частицу "макрон" — macron) весит порядка 3,5 миллиграммов. При скорости 830 км/с она будет обладать кинетической энергией 0,95-1,2 мегаджоуля (зависит от формы снаряда и, следовательно, точного значения его массы). Это не так уж много, чтобы уже подумать о практическом способе реализации проекта.

Поясним, ещё в конце 1970-х исследователи обсуждали похожую схему синтеза, но предполагали, что для "зажигания" термоядерной реакции потребуется кинетическая энергия до 50 мегаджоулей (сконцентрированная в малом объёме), что приводило к необходимости разгона до сотен километров в секунду снаряда весом порядка одного грамма. У экспериментаторов не было и до сих пор нет устройств, способных обеспечить такому объекту столь высокую скорость.

Дейтерий-тритиевый метан в кристаллическом виде предполагается получать при давлении около 10 тысяч атмосфер и температуре ниже 252 кельвинов, что является вполне достижимыми для современной техники параметрами (иллюстрация Ben Mills).

Новые расчёты делают "ударный синтез" несколько более реальным. Если раньше физики изучали возможность использования в данной схеме легкогазовых и рельсовых пушек (вывод — они слишком слабы), то китайцы сообщают: единственный доступный способ получения желаемых параметров — многоступенчатый электростатический линейный ускоритель.

Авторы исследования пишут, что пылевые частицы весом 10^-10 грамма учёным уже удавалось разгонять до 100 км/с — при помощи электростатических ускорителей, питаемых генератором Ван де Граафа (Van de Graaff generator).

А ещё в этой связи можно вспомнить, как за счёт сверхсильных полей физики получили ускорение твёрдого макроскопического тела в 10 миллиардов g, правда, на очень коротком отрезке пути.

Ускорители частиц (на снимке), питаемые генераторами Ван де Граафа известны уже десятки лет. Однако, построить многокилометровый аналог, способной работать не с пучками, а с миллиметровыми кристалликами алмаза – задача непростая (фото David Monniaux).

Отсюда до трёх миллиграммов и 1000 км/с — немалая дистанция. Но, ориентируясь на опыт возведения крупнейших ускорителей, можно сказать, что создать "пушку" для макронов — всё же реально. В длину она будет насчитывать от 100 километров до всего 4 км в зависимости от того, какую напряжённость поля смогут обеспечить инженеры в установке.

Алмаз в роли ударника выбран из-за важного сочетания свойств. Он обладает высокой прочностью, но в то же время умеренной плотностью, что хорошо для выбранного метода ускорения. К тому же у алмаза — как ионизированной частицы — низкие потери на тормозное излучение.

Мощность реакции синтеза (вверху, шкала по вертикали – петаватты) и плотность дейтерия и трития (внизу, 1024 частиц на см3) после удара снаряда по мишени при скорости соударения в 800 (сплошная кривая) и 830 (пунктир) километров в секунду. На всех графиках по горизонтали – время в наносекундах (иллюстрация Y.A. Lei, J. Liu, Z.X. Wang).

Физики рассматривают миллиметровый алмаз как аналог пучка ионов. И хотя энергия каждого отдельного атома в таком случае оказывается очень далека от рекордной, плотность "пучка" будет в миллиарды раз выше, чем плотность ионных пучков в традиционных ускорителях частиц. Именно это, наряду с высокой скоростью, по расчётам физиков, и должно обеспечить начало термоядерного синтеза в точке удара алмазного снаряда и метановой мишени.

Учёные полагают, что, несмотря на трудности с постройкой большого ускорителя алмазов, новая схема окажется проще и дешевле прежних вариантов, ведь остальные части комплекса существенно упрощаются. Достаточно сказать, что тут не нужны ни сверхмощные лазеры, ни многотонные сверхпроводящие магниты, как в соперничающих схемах.

Вверху: распределение мощности, выделяющейся в ходе реакции, по электронам и ионам (петаватты). Внизу: распределение температуры частиц (килоэлектронвольты). На всех графиках по горизонтали – время в наносекундах (иллюстрация Y.A. Lei, J. Liu, Z.X. Wang).

Физики рассмотрели как энергия, выделяемая в ходе синтеза, распределяется по нейтронам, электронам и ионам, отметив, что её можно использовать не только для выработки электричества. Так нейтроны, на которые придётся львиная доля энергии, можно задействовать для бридинга ядерного топлива. Благо пространство в камере реакции ничем не занято и там можно разместить блоки с делящимся веществом.

В численном моделировании соударения снаряда и мишени, а также последующих процессов, учёные ограничились первыми 50 наносекундами (тут важно было убедиться, что реакция запущена). Но даже за это время, похоже, мишень выдаст в разы больше энергии, чем было потрачено не только на разгон снаряда, но даже на получение этого кристалла.

Правда в такой системе всё ещё неясным остаётся общий КПД: вопрос утилизации энергии микровзрывов подробно не рассматривался. Но в случае эффективной работы системы, даже синтетические алмазы могут оказаться недорогим "расходным материалом".