Два лазера зажгли безопасный ядерный синтез

Термоядерная реакция с участием бора показала неожиданно обнадёживающий результат

 

Александр Березин 

 

Новый метод позволяет многократно интенсифицировать термоядерные реакции без образования опасных быстрых нейтронов.Вся история человечества в определённом смысле может быть описана как движение от менее концентрированных форм энергии солнечного происхождения к более концентрированным. Homo Erectus освоил сжигание дров — биомассы, полученной с помощью Солнца. Homo Sapiens стал жечь уголь и ассигнации нефть; затем дело дошло и до прямого получения энергии от светила.

Следующим логичным шагом было бы освоение того источника, который питает само Солнце, — и тогда нам, грубо говоря, не пришлось бы запасать солнечный свет вёдрами для ночного и зимнего использования. Одна закавыка: мы не умеем.

Есть разные методы инициирования управляемой термоядерной реакции — токамаки, лазерный обстрел вкладыша с дейтерием и пр., но все они пока дают слишком мало энергии, чтобы оправдать своё использование в реальной энергетике, а стоимость подобных установок поражает воображение. Причём надежды на достижение рентабельного термоядерного синтеза всё время отодвигаются от нас, словно горизонт при беге: с каждым новым шагом токамаков и лазерных инерциальных систем синтеза оказывается, что есть некие неизученные механизмы, которые делают синтез ещё труднее, чем мы думали.

И вот команда во главе с Кристин Лабон (Christine Labaune) из Политехнической школы (Франция) делает всеобщим достоянием информацию, по смыслу прямо противоположную серии нереализованных надежд с токамаками и прочим!

Вот такая настольная установка позволила добиться слияния протона и ядра атома бора.(Здесь и ниже иллюстрации Christine Labaune.)
В 2005 году группа российских учёных попробовала обстреливать мишень из бора лазерами. Так были зарегистрированы тысячи ядер гелия, но их количество было недостаточным, чтобы говорить о перспективах самоподдерживающейся реакции. Это казалось логичным: бор тяжелее дейтерия и трития, главных претендентов на роль самого простого топлива для инициации управляемой термоядерной реакции (УТС). Чего вообще им потребовалось от бора?

Все обычные схемы УТС предусматривают слияние дейтерия и трития для получения ядер гелия, однако на этом пути неизбежно возникают нейтроны высоких энергий, способные повредить практически все известные материалы, кои можно использовать для строительства термоядерного реактора. И, конечно, сделать их радиоактивными, что впоследствии потребует захоронения всего этого добра.

Схема термоядерной реакции на боре другая. Протоны, разогнанные лазерами и бьющие в борную мишень, порождают ядра гелия без нейтронов. Одно это делает бор исключительно интересным для практичных термоядерных реакторов, а стоимость бора и того же трития-дейтерия вообще трудно сравнивать, настолько первый дешевле. Но, как сказано выше, всё это нивелируется тем, что запустить реакцию термоядерного синтеза с бором куда сложнее, чем с изотопами водорода.

То есть всем казалось, что намного сложнее. Учёные из группы г-жи Лабон в сущности провели тот же опыт, что и их российские коллеги восемь лет назад, только сначала использовали ИК-лазер, чтобы превратить изотопы бора в плазму.

Доли секунды спустя они обстреляли другим лазером мишень из алюминиевой фольги, что создало поток быстродвижущихся протонов, рассеивавшихся в плазму, и часть из них сливалась с ядрами атомов бора. В итоге получалось ядро углерода-12 с шестью протонами и шестью нейтронами, в то время как в стабильных изотопах бора пять протонов и не более шести нейтронов. Но итоговое ядро углерода было в таком возбуждённом состоянии, что немедленно распадалось на восемь миллионов ядер гелия — а не тысячи, как в опытах 2005 года.

Причины очевидны: превратив бор в плазму, первый лазер лишил его атомы электронов, оставив лишь голое ядро, с протонами и нейтронами. В этом случае вероятность столкновения протонов, стронутых с места вторым лазером, именно с ядром резко росла, а затраты энергии импульса на ионизацию атомов бора — падали. Всё это и вызвало радикальное увеличение случаев слияния ядер в ходе реакции.

Это очень-очень интересно, причём не только из-за чисто энергетических перспектив. Наши поиски в области термоядерной энергетики во многом опираются на теоретические представления о том, какие термоядерные реакции с наибольшей вероятностью будут протекать при приложении того или иного количества энергии. Как оказалось, привходящие обстоятельства способны решительно изменить ситуацию для бора — а значит, и вероятность тех или иных термоядерных реакций в недрах звёзд (тех самых, что породили все наблюдаемые нами химические элементы, кроме водорода и гелия, включая и те, из которых состоите вы, читатель) может, по меньшей мере частично, значительно отличаться от наших представлений о них.

Энергетическая сторона дела ещё более значима. Сегодня установки инерциального термоядерного синтеза используют до двухсот мощных лазеров — как, к примеру, мощнейшая ливерморская. В схеме, предложенной французами, всего два лазера. И если этот успех удастся масштабировать, речь пойдёт о «тектонических» сдвигах, не говоря уже о потенциальном удешевлении топлива и радикально упрощающейся конструкции реактора, поскольку ему не придётся выдерживать град быстрых нейтронов.

Схема проведения эксперимента.
Что не менее интересно, авторы уверены, что аналогичные механизмы повышения эффективности безнейтронных термоядерных реакций применимы и к другим лёгким изотопам, подвергаемым обстрелу протонами.

Пока это лишь эксперимент, поэтому установка проводила термоядерный синтез раз в 90 минут, но в принципе, используя уже существующие лазеры, подобный процесс может быть организован и на непрерывной основе. Поскольку в опытах не ставилась цель достижения максимального энерговыделения, для полного понимания борного термоядерного синтеза нужны дополнительные эксперименты. И всё равно перед нами весьма многообещающее явление, способное изменить будущее термоядерной энергетики. И, наверное, и наше с вами.

Отчёт об исследовании ждёт вас (и ваши €30) в журнале Nature Communications, а с его полным текстом можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Nature News. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.

 

Источник: compulenta.computerra.ru.