Фізики з Принстонської лабораторії фізики плазми Міністерства енергетики США (PPPL) опублікували в журналі Physical Review Letters результати розрахункового дослідження, яке може змінити підхід до проєктування майбутніх термоядерних установок. Команда у складі Луїса Дельгадо-Апарісіо, Масаюкі Оно та Джонатана Менарда показала, що для досягнення термоядерного запалювання — стану, за якого реакції синтезу в плазмі виділяють достатньо енергії для підтримання її високої температури без постійного зовнішнього нагріву — ефективніше спочатку нагріти плазму, а потім збільшити її густину, а не діяти у зворотному порядку. Робота поки що має виключно теоретичний характер: запропонована послідовність не перевірялася в експериментальному реакторі, проте розрахунки можуть суттєво вплинути на вибір проєктних параметрів нових установок.

Критерій Лоусона та чотири нові фактори

В основу моделі покладено критерій Лоусона — набір умов, розроблений у 1950-х роках і який описує, чи може плазма достатньо довго залишатися гарячою та густою для підтримання термоядерної реакції без додаткового зовнішнього нагріву. Дослідники розширили класичну формулу, вперше об'єднавши в одній моделі чотири фактори, що впливають на енергетичний баланс плазми: накопичення гелію як продукту реакції, забруднення плазми матеріалами внутрішнього покриття реактора, втрати енергії на синхротронне випромінювання електронів у магнітних полях та витік тепла з плазми. Кожен із цих ефектів вивчався раніше окремо, проте їхній спільний вплив на умови запалювання було оцінено лише тепер. Учені також проаналізували так звану сідловину Кордея — область на межі між плазмою, яка потребує зовнішнього підігріву, та плазмою, здатною самостійно підтримувати реакцію.

Вольфрамова проблема та конструкція стінок

Розрахунки виявили потенційно критичну проблему, пов'язану з вольфрамом. Цей метал розглядається як основний матеріал для виготовлення стінок майбутніх термоядерних установок завдяки його високій жаростійкості та стійкості до нейтронного опромінення. Однак моделювання показало, що навіть незначна кількість вольфраму, що потрапила в плазму, здатна зірвати термоядерну реакцію. Це означає, що конструкція реактора має включати додаткові механізми, які запобігають ерозії вольфрамових стінок та їх потраплянню в плазмову хмару. Питання вибору матеріалу для першої стінки залишається одним із ключових під час проєктування установок нового покоління.

Випромінювання як обмежувач і стабілізатор

Цікавий висновок випливає з моделювання того, як різні процеси впливають на плазму на різних етапах. Деякі механізми, що ускладнюють запуск синтезу — зокрема, синхротронне випромінювання та витік тепла, — можуть одночасно виступати природними обмежувачами плазмових реакцій після того, як запалювання вже досягнуто. Тобто ті самі фактори, які ускладнюють досягнення критичного режиму, здатні стабілізувати плазму та запобігти її неконтрольованому нагріванню. Ця подвійна поведінка враховується в новій моделі й може бути взята до уваги під час проєктування систем керування плазмою в енергетичних реакторах.

Від розрахунків до практики: що далі

Команда наголошує, що робота ґрунтується виключно на чисельних розрахунках і не була підтверджена експериментально. Проте результати можуть допомогти точніше обирати параметри майбутніх установок, оцінювати можливість досягнення запалювання та враховувати фактори, здатні перешкодити роботі реактора. У міру переходу термоядерних досліджень від експериментів із плазмою, що горить, до повноцінних енергетичних установок подібні розрахунки здатні скоротити кількість невдалих проєктних рішень і знизити витрати на розробку. Для галузі, де вартість одного експериментального циклу вимірюється мільярдами доларів, навіть теоретичне уточнення оптимальної послідовності нагріву та стискання плазми становить практичну цінність.