Китайські науковці виявили нові особливості поведінки плазми під час термоядерного синтезу. Це відкриття може наблизити людство до створення комерційного джерела екологічно чистої енергії.
Speka розглянула детальніше результати дослідження та його значення для майбутнього енергетики.
Що таке термоядерний синтез
Це процес отримання енергії, який базується на об'єднанні атомних ядер під дією екстремальних температур і тиску. У реакції ядра атомів, зокрема ізотопів водню, зливаються, утворюючи важче ядро, зазвичай – гелій. Цей процес лежить в основі «роботи» Сонця та подібних зірок.
Науковці вважають термоядерний синтез перспективним джерелом майже безмежної екологічно чистої енергії. Хоча дослідження в галузі ведуться з 1950-х років, лише у 2021 році американські вчені змогли досягти етапу «запалювання». Це стан, коли реакція синтезу виробляє більше енергії, ніж споживає, і стає здатною до самопідтримування.
Процес термоядерного запалювання. Зображення: Ліверморська національна лабораторія імені Лоуренса
Основні типи термоядерного синтезу
Термоядерний синтез поділяється на два основні типи:
- Магнітний термоядерний синтез, у якому плазма утримується за допомогою магнітних пасток.
- Інерційний термоядерний синтез, де плазма стабілізується завдяки інерції частинок.
Кожен із цих методів має свої переваги та складнощі, але їх об'єднує прагнення досягти стабільного «запалювання». Наприклад, у 2022 році в Національному комплексі лазерних термоядерних реакцій (NIF) у США вдалося стиснути паливо за допомогою лазерів до стану, коли реакція виділяла більше енергії, ніж споживала. Хоча це тривало лише мільярдну частку секунди, цей прорив довів можливість реалізації термоядерного синтезу в лабораторних умовах.
Нові відкриття у поведінці плазми
У 2021 році під час експериментів у NIF дослідники виявили незвичні особливості поведінки плазми. Було зафіксовано появу надтеплових іонів дейтерію та тритію – частинок зі значно вищою енергією, ніж у решти плазми. Таке явище може бути спричинене нестабільностями, електромагнітними полями або іншими аномальними процесами.
Ці спостереження вказують на нерівноважні механізми у плазмі, коли енергія частинок розподіляється нерівномірно через зовнішні впливи, такі як лазерні імпульси чи магнітні поля. Утворення надтеплових іонів зумовлене великокутовими зіткненнями частинок, що змінюють енергію та імпульс не лише учасників зіткнення, а й інших частинок у їхньому оточенні.
Надтеплові іони утворюються, коли під час цих процесів відбуваються великокутові зіткнення частинок, які є результатом осадження альфа-частинок (ядра гелію, які утворюються під час термоядерної реакції).
Національний комплекс лазерних термоядерних реакцій США (NIF)
Прорив китайських дослідників у термоядерному синтезі
Китайські вчені під керівництвом професора Цзе Чжана з Інституту фізики Академії наук розробили нову модель для прогнозування таких зіткнень. Вона враховує вплив фонових іонів і дозволяє краще розуміти поведінку плазми.
Уявіть натовп на площі: раніше вчені могли спостерігати лише зіткнення двох людей. Новий метод дозволяє побачити, як їхній рух впливає на інших навколо.
Для цього дослідники створили спеціальну комп'ютерну програму LAPINS. Вона може точно моделювати поведінку плазми, зменшуючи потребу у дорогих лабораторних експериментах. Завдяки цьому вдалося детальніше вивчити кінетичні ефекти та механізми, які впливають на ефективність реакції.
Важливість досліджень для майбутнього енергетики
Прорив китайських вчених дозволяє значно підвищити ефективність термоядерних реакторів, оскільки точні симуляції сприяють більш точному прогнозуванню результатів і вдосконаленню конструкцій. Це важливий крок на шляху до створення комерційних термоядерних установок.
Проте серед ключових завдань, які ще потрібно вирішити:
- збільшення стабільності плазми;
- зниження витрат на запуск реакторів;
- підвищення енергетичної продуктивності реакцій.
Хоча комерціалізація термоядерної енергетики може зайняти ще кілька десятиліть, нові знання значно наближають людство до реалізації цієї мети. У перспективі такі реактори можуть забезпечити світ екологічно чистою, стабільною та практично безмежною енергією, яка зменшить залежність від викопного палива та зробить енергетичну систему більш стійкою до кліматичних викликів.
