Вчені розкрили причину хаосу в термоядерних реакторах

Дослідники з Принстонської лабораторії фізики плазми (PPPL) з’ясували природу явища, яке десятиліттями заважало розвитку термоядерної енергетики. Їм вдалося пояснити, звідки в розпеченій плазмі беруться потужні магнітні поля, що виникають спонтанно й порушують перебіг реакції синтезу.

Йдеться про інерційний термоядерний синтез — метод, при якому невелика капсула з паливом стискається потужними лазерами. Щоб реакція запустилася, енергія має розподілятися максимально рівномірно. Проте в реальних експериментах усередині плазми регулярно виникали сильні магнітні поля, які порушували теплообмін і робили поведінку плазми непередбачуваною.

Моделюючи вплив лазера на алюмінієву мішень, вчені виявили існування порогового значення потужності випромінювання. Якщо лазер працює нижче цього порогу, плазма залишається практично немагнітною. Щойно потужність його перевищує — за мільярдну частку секунди всередині плазми з’являються магнітні поля.

Особливо несподіваним виявився висновок про те, що навіть ідеально рівний лазерний промінь не здатен запобігти цьому ефекту. Річ у фізичній природі плазми, що розширюється: після лазерного імпульсу речовина миттєво перетворюється на надгарячий газ і починає стрімко розлітатися. Температура при цьому розподіляється нерівномірно — вздовж напрямку розширення вона падає швидше, ніж в інших напрямках, що породжує температурний дисбаланс.

Саме цей дисбаланс запускає фізичний процес, відомий як нестабільність Вейбеля, внаслідок якого всередині плазми самовільно формуються магнітні поля. Після їх появи поведінка плазми суттєво змінюється: поля обмежують рух електронів, перешкоджають відведенню тепла із зони опромінення та впливають на температуру, густину й подальший розвиток термоядерної реакції.

Практична цінність дослідження — не лише в поясненні механізму виникнення цих полів, а й у математичній формулі, яку вивели автори. Вона дозволяє заздалегідь оцінити ймовірність появи небажаних магнітних полів за відомими параметрами лазера й мішені. За словами дослідників, виявлений поріг виявився напрочуд низьким і відповідає умовам більшості сучасних термоядерних установок — тобто ефект уже зараз впливає на їхню роботу.

Якщо результати підтвердяться в подальших експериментах, нова модель може стати важливим інструментом при проєктуванні реакторів наступного покоління — і наблизити людство до створення комерційних термоядерних електростанцій, здатних виробляти практично невичерпну й екологічно чисту енергію.