Путь к термоядерному синтезу, который считается священным Граалем энергетики, становится всё более ясным благодаря прорывным исследованиям в области инерциального удержания (ICF). Этот метод позволяет инициировать реакции синтеза в дейтериево-тритиевом топливе с использованием экстремальных температур и давлений, создаваемых во время имплозии.
Особенно важной в этом процессе является фаза «горения», когда энергия, выделяемая альфа-частицами, начинает превышать энергию, внесённую имплозией. Это явление усиливает реакции синтеза, многократно увеличивая плотность и выделение энергии. Однако точное понимание этой стадии оказалось значительно сложнее, чем предполагалось.
Горящая плазма и новые вызовы плазмы в физике
В 2021 году в Национальном центре зажигания (NIF) ученые впервые достигли состояния горящей плазмы, что стало важнейшим шагом на пути к контролируемому синтезу. Однако наблюдения показали расхождения между предсказаниями существующих гидродинамических моделей и реальными результатами. В спектрах нейтронов обнаружились следы сверхтепловых ионов, что свидетельствует о значительном влиянии кинетических эффектов, ранее недооценённых.
Эти эффекты включают столкновения под большими углами, которые приводят к существенному обмену энергией между ионами, вызывая отклонения от состояния равновесия. Это, в свою очередь, усложняет моделирование поведения плазмы и требует пересмотра подходов к описанию её динамики.
Прорыв в моделировании
Для преодоления этих трудностей группа исследователей под руководством профессора Цзе Чжана разработала новую модель столкновений, объединяющую экранированные потенциалы фоновых ионов с их относительным движением. Эта модель позволила включить ранее упускаемые кинетические эффекты в симуляции, что привело к созданию гибридного кода LAPINS.
Благодаря этой инновации учёные смогли более точно смоделировать ключевые процессы в горящей плазме, включая динамику альфа-частиц, их распределение по энергии и влияние на плотность топлива. Моделирование выявило:
- Сдвиг момента зажигания примерно на 10 пикосекунд;
- Повышенное осаждение альфа-частиц, увеличивающее их плотность на 24% в центральной области плазмы;
- Существование сверхтепловых ионов с энергиями ниже 34 кэВ, что ранее не учитывалось.
Эти результаты подтвердили анализы нейтронного спектра, проводимые в NIF, и помогли выявить несоответствия между реальными экспериментами и гидродинамическими моделями, которые становились всё более заметными по мере увеличения энерговыхода.
Значение для науки и энергетики будущего
Эти открытия не только углубляют понимание физики высоких плотностей энергии, но и открывают новые возможности для совершенствования схем зажигания. Термоядерная плазма, изучаемая в рамках этих экспериментов, имеет много общего с условиями, существовавшими в ранней Вселенной. Это делает исследования не только перспективными для энергетики, но и важными для космологии.
Работа команды подчеркивает важность точного учета кинетических эффектов в моделировании сложных процессов, таких как термоядерный синтез. Она также открывает путь к созданию более совершенных реакторов, способных обеспечить стабильный и экологически чистый источник энергии для всего человечества.
А затем «Добавить на главный экран».