Проведено исследование ядерного синтеза протон-бор, при котором не выделяются нейтроны
Физики из МФТИ и Объединенного института высоких температур РАН, работающие над фундаментальными проектами в области физики плазмы и управляемого ядерного синтеза, объявили о значительных продвижениях в изучении безнейтронной (без выделения нейтронов) реакции ядерного синтеза протон–бор. Исследование демонстрирует новый подход к синтезу, который может стать основой для создания экологически чистых источников энергии в будущем.
Работа опубликована в журнале Frontiers in Physics (Fusion Plasma Physics). За последние десятилетия интерес к термоядерной реакции синтеза протон-бор значительно возрос из-за перспективы ее использования как источника «чистой» энергии без опасного нейтронного излучения, характерного для термоядерных реакций с традиционным топливом, например, дейтерий–тритий. В течение многих лет исследование реакции протон-бор сталкивалось с трудностями, поскольку для нее требовалось получить плазму с очень экстремальными параметрами.
Наиболее существенным вызовом было достижение достаточно высоких энергий частиц (~ 100 кэВ и более), необходимых для инициирования данной реакции. Все предыдущие исследования, начиная с пионерской работы 2005 года В.С.Беляева с коллегами из ЦНИИМАШа, были сфокусированы на использовании для этой цели лазеров, и в последние годы был достигнут значительный прогресс в изучении лазерного безнейтронного синтеза протон–бор. За прошедшие годы в основном в зарубежных лазерных экспериментах был зарегистрирован все более растущий выход α-частиц. Однако интерес представляют и другие подходы к реализации синтеза протон–бор.
Помимо существующих и активно развивающихся различных лазерных схем, реализация реакции протон–бор в одном устройстве для создания и удержания плазмы без внешнего воздействия лазеров или протонных пучков на борную мишень также является очень перспективным направлением. В частности, совсем недавно было впервые получен синтез протон–бор при помощи магнитного удержания плазмы, с использованием инжекции порошка бора и высокоэнергетических водородных пучков. Несколько ранее, в 2021 году, впервые в мире было продемонстрировано ускорение и удержание протонов и ионов бора в одном миниатюрном устройстве на основе наносекундного вакуумного разряда (НВР) с последующим выходом α-частиц из реакции протон–бор.
Недавняя работа российских ученых связана с дальнейшим исследованием механизмов реакции синтеза протон–бор в НВР, где создается и удерживается плазма, в которой идут безнейтронные реакции. Ученые стремились оптимизировать условия для увеличения выхода альфа-частиц, что в будущем может обеспечить эффективное и безопасное производство энергии, а в ближайшей перспективе служить источником α-частиц для медицины, в промышленной электронике и других современных технологиях.
В моделировани «горячей» плазмы были использованы полный электродинамический код и метод частиц в ячейках (Particle-in-Cell, PiC), что позволило подробно изучить процессы, ведущие к реакции протон–бор в осциллирующей плазме НВР. Ученые сосредоточились на таких параметрах, как размер виртуального катода, в поле которого происходят ядерные реакции, и его влияние на выход альфа-частиц при разных геометриях анода и катода.
В предыдущих исследованиях ученые использовали тот же метод моделирования, чтобы понять, какая форма, расположение электродов и другие параметры в устройстве НВР для ядерного синтеза помогут достичь максимального выхода альфа-частиц. Альфа-частицы — это единственные продукты, возникающие в результате ядерной реакции между протонами и ионами бора, что и делает эту реакцию крайне привлекательной как для современных приложений, так и энергетики будущего. Максимальный выход альфа-частиц — это ключевой показатель успешности реакции, указывающий на эффективность удержания плазмы и процессов ядерного синтеза.
В новом исследовании ученые представили результаты моделирования, в котором они проанализировали геометрию электродов, использовавшуюся ранее в первых реальных экспериментах. Оказалось, что выбранная ранее форма электродов была далека от оптимальной. Это значит, что конструкция, в которой проводились первые эксперименты 2021 года, не обеспечивала наилучшие условия для достижения максимального выхода альфа-частиц.
Несмотря на неидеальную первоначальную конфигурацию электродов, моделирование показало наличие в ней альфа-частиц, но главное, что если увеличить объем анода, т. е. части пространства, где происходит ядерная реакция, количество реакций возрастает. Это означает, что анод с большим диаметром может позволить большему числу протонов и ионов бора совершать встречные столкновения, что увеличивает шанс на успешный синтез и величину выхода реакции. Ученые также установили, что при увеличении радиуса анода до 0.5 см выход альфа-частиц достигает максимального значения, а после этого перестает расти. Это говорит о наличии определенных ограничений, связанных со спецификой осцилляций ионов разной массы и заряда в НВР.
Такое исследование и его результаты, в частности, определяют параметры планируемых новых экспериментов по синтезу протон–бор, а в целом помогают лучше понять, какие параметры устройства для получения термоядерного синтеза необходимы для оптимизации процессов ядерного синтеза, что может привести в дальнейшем к созданию новых компактных и легко управляемых источников альфа-частиц для практики, а также более эффективным и безопасным будущим технологиям получения энергии на основе термоядерного синтеза.
«Мы открыли новый подход в области анейтронных реакций, продемонстрировав, что протон-борная термоядерная реакция возможна без внешних источников, таких как лазеры или протонные пучки. Понимание механики этой реакции откроет путь для создания безопасных и эффективных источников энергии», — сообщил Степан Андреев, начальник отдела радиофотоники МФТИ.
По итогам моделирования в работе был сделан общий вывод о том, что образование более объемного потенциального колодца (шире по радиусу и удлиненного вдоль оси разряда) с четко выраженными колебаниями протонов и ионов бора в нем обеспечивает заметное увеличение выхода α-частиц.
Исследование представляет собой важный шаг в области термоядерной физики и открывает новые возможности для практического применения технологии, основанной на слиянии протона и бора. Следующие шаги в этой области, включающие дальнейшие эксперименты и дополнительные компьютерные симуляции, могут привести к ряду открытий, которые будут полезны как для науки, так и для промышленности.
Telegram 
Дзен 
VK Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Мы много знаем о том, как цивилизации до нас строили дома и дороги, но с объектами материальной культуры дела обстоят сложнее. Ремесленные техники часто хранились в строгом секрете и могли быть случайно утрачены при неудачном стечении обстоятельств. Так случилось с ювелирной техникой цзинь чжэ сы.
Японские исследователи выловили у берегов Окинавы пластиковую бутылку с узким горлышком, внутри которой сидел большой живой краб. В итоге ученые смогли найти ответы на несколько возникших в связи с этой находкой вопросов: как краб попал в бутылку, сколько там находился и как ему удалось выжить?
Ученые Южного федерального университета исследовали новую светочувствительную молекулу и обнаружили, что она ведет себя совсем не так, как ожидалось. Благодаря необычным свойствам она может стать основой для создания умных материалов, сенсоров и лекарств, которые будут активироваться светом именно там, где нужно, например, для борьбы с опасными бактериями.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно