Учёные добились самоподдерживающегося ядерного синтеза… но теперь они не могут его воспроизвести

Учёные подтвердили, что в прошлом году они впервые в лаборатории добились реакции синтеза, которая самовоспроизводится (вместо того, чтобы выдыхаться), приближая нас к воспроизведению химической реакции, питающей Солнце.

Однако они не совсем уверены, как воссоздать эксперимент.

Ядерный синтез происходит, когда два атома объединяются, чтобы создать более тяжелый атом, высвобождая при этом огромный выброс энергии.

Этот процесс часто встречается в природе, но его очень трудно воспроизвести в лаборатории, потому что для поддержания реакции требуется высокоэнергетическая среда.

Солнце вырабатывает энергию, используя ядерный синтез — сталкивая атомы водорода вместе, чтобы создать гелий.

Сверхновые — взрывающиеся солнца — также используют ядерный синтез для своих космических фейерверков. Сила этих реакций — это то, что создает более тяжелые молекулы, такие как железо.

Однако в искусственных условиях здесь, на Земле, тепло и энергия, как правило, уходят через механизмы охлаждения, такие как рентгеновское излучение и теплопроводность.

Чтобы сделать ядерный синтез жизнеспособным источником энергии для людей, ученые сначала должны добиться чего-то, называемого «воспламенением», когда механизмы самонагрева перекрывают все потери энергии.

Как только воспламенение достигнуто, реакция синтеза запускается сама собой.

В 1955 году физик Джон Лоусон создал набор критериев, теперь известных как «критерии воспламенения, подобные Лоусону», чтобы помочь определить, когда это воспламенение произошло.

Зажигание ядерных реакций обычно происходит в чрезвычайно интенсивных средах, таких как сверхновая звезда или ядерное оружие.

Исследователи из Национального центра воспламенения Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии потратили более десяти лет на совершенствование своей техники и теперь подтвердили , что знаменательный эксперимент, проведенный 8 августа 2021 года, действительно привел к первому в истории успешному воспламенению реакции ядерного синтеза.

В недавнем анализе эксперимент 2021 года оценивался по девяти различным версиям критерия Лоусона.

«Это первый раз, когда мы пересекли критерий Лоусона в лаборатории», — сказала New Scientist физик-ядерщик Энни Кричер из Национального центра по воспламенению .

Чтобы достичь этого эффекта, команда поместила капсулу с тритиевым и дейтериевым топливом в центр камеры с обедненным ураном, облицованной золотом, и запустила в нее 192 высокоэнергетических лазера, чтобы создать ванну интенсивного рентгеновского излучения.

Интенсивная среда, созданная направленными внутрь ударными волнами, создала самоподдерживающуюся термоядерную реакцию.

В этих условиях атомы водорода подверглись синтезу, выделив 1,3 мегаджоуля энергии за 100 триллионных долей секунды, что составляет 10 квадриллионов ватт мощности.

За последний год исследователи пытались воспроизвести результат в четырех аналогичных экспериментах , но им удалось получить только половину энергии, полученной в рекордном первоначальном эксперименте.

По словам Критчера, зажигание очень чувствительно к небольшим изменениям, которые едва заметны, например, к различиям в структуре каждой капсулы и интенсивности лазеров.

«Если вы начинаете с микроскопически худшей исходной точки, это отражается в гораздо большей разнице в конечном выходе энергии», — говорит физик плазмы Джереми Читтенден из Имперского колледжа Лондона. «Эксперимент 8 августа был наилучшим сценарием».

Теперь команда хочет определить, что именно требуется для достижения воспламенения и как сделать эксперимент более устойчивым к небольшим ошибкам. Без этих знаний процесс не может быть масштабирован для создания термоядерных реакторов, которые могли бы питать города, что является конечной целью такого рода исследований.

«Вы не хотите оказаться в ситуации, когда вам нужно сделать абсолютно все правильно, чтобы получить зажигание», — говорит Читтенден.

Эта статья была опубликована в журнале Physical Review Letters .

Для того, чтобы быть в курсе новостей в сфере науки, подписывайтесь на наш Telegram-канал.