Американская PPPL пересматривает критерий Лоусона, действовавший 70 лет, и предлагает новый путь к термоядерному зажиганию «сначала нагрев, затем добавление топлива»

Принадлежащая Министерству энергетики США (DOE) Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL) 5 октября опубликовала новейшие результаты: физики лаборатории пересмотрели классический критерий Лоусона, использовавшийся более 70 лет, и опубликовали работу в журнале Physical Review Letters. Исследовательская группа объединила четыре реалистичных физических эффекта, которые ранее рассматривались по отдельности, в единую модель и построила новую карту областей термоядерного зажигания. Исследование показывает, что маршрут «сначала нагреть плазму, затем повысить плотность топлива» позволяет достичь условий зажигания для самоподдерживающегося горения при энергозатратах, значительно меньших, чем на традиционном пути.

На протяжении последних более 70 лет в области термоядерного синтеза неизменно полагались на критерий Лоусона для оценки того, может ли плазма поддерживать самоподдерживающееся горение при достаточно высокой температуре и плотности. Однако классическое уравнение указывает лишь конечную точку, но не раскрывает оптимальный инженерный путь к достижению этого состояния. Новая модель, предложенная исследователями PPPL, дополнена четырьмя ключевыми управляющими условиями и дает теоретическую основу для планирования оптимальных процессов нагрева и подачи энергии внутри термоядерной системы.

Исследователи сравнивают поиск условий зажигания с переходом через горный хребет. Традиционные проекты термоядерных установок часто выбирают «лобовой подъем на вершину», то есть сначала повышают плотность плазмы, а затем подводят тепло; такой подход требует ввода огромной внешней энергии. Новая же модель выявляет эффективный маршрут «обхода горы»: сначала плазму нагревают до целевой температуры, а затем добавляют топливо для повышения плотности, что позволяет значительно снизить суммарные энергозатраты, необходимые для достижения зажигания.

В математическом выражении этот новый маршрут должен проходить через критическую область, называемую «седловой точкой Кордея» (Cordey saddle), то есть через канал минимальной энергии, соединяющий состояние внешнего нагрева с состоянием самоподдерживающегося горения. В идеальной чистой топливной плазме без примесей седловой точке соответствует коэффициент усиления термоядерной энергии Q около 5. При введении реальных параметров среды, таких как примеси и сильное магнитное поле, положение седловой точки смещается, и требуемое значение Q соответственно возрастает.

В этом исследовании впервые четыре ключевых эффекта реальных потерь включены в единую расчетную схему: накапливающийся после выгорания топлива «гелиевый пепел», легкие и тяжелые примеси, отслаивающиеся от внутренних стенок установки, потери на синхротронное излучение, возникающие при высокоскоростном движении заряженных частиц, а также усиливающийся с ростом температуры отток тепла. Группа отмечает, что игнорирование этих факторов приводит к тому, что проект оказывается осуществимым в идеальных условиях, но при реальном строительстве сталкивается с серьезными отклонениями; единая модель позволяет эффективно избежать дорогостоящих инженерных проб и ошибок.

Применительно к металлической вольфрамовой внутренней стенке, используемой в большинстве современных термоядерных установок, исследование показывает, что даже примесь вольфрама в плазме на уровне одной десятитысячной увеличивает критическое давление, необходимое для зажигания, почти вдвое. Если же перейти к трехмерной модели, требуемое давление зажигания может даже превысить физический предел устойчивости плазмы. Однако эти механизмы потерь одновременно образуют естественную систему безопасности, способную эффективно подавлять цикл «теплового разгона» в термоядерной реакции и обеспечивать самопроизвольный стационарный режим горения плазмы.

Кроме того, исследовательская группа предложила два осуществимых технических пути снижения порога зажигания, включая применение технологии жидко-литиевого покрытия внутренней стенки, давно изучаемой в PPPL, для уменьшения загрязнения примесями, а также использование спин-поляризованного топлива для увеличения сечения термоядерной реакции. Хотя этот результат в настоящее время основан на теоретических расчетах и численном моделировании, он указывает ясное направление для проектирования, планирования и экспериментальной проверки термоядерных установок следующего поколения с высоким Q.