Какие профессии востребованы сегодня?
Подробнее
  • Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
13 июня
Иван Лавренов
11 305

Магнитное поле помогло лазерам сжать капсулу с термоядерным топливом

6.0

Проведены новые эксперименты по комбинированию двух классических подходов к управляемому термоядерному синтезу — магнитного и инерциального удержания плазмы. Оказалось, что приложение сильного магнитного поля к капсуле с топливом улучшает ее сжатие.

Измеренная карта плотности плазмы в момент сжатия в отсутствие магнитного поля (слева) и после приложения к капсуле поля 50 тесла (справа). Цвет обозначает плотность плазмы: желтый - 0,84 г/см3 (как у керосина).
Измеренное распределение плотности плазмы в момент сжатия в отсутствие магнитного поля (слева) и после приложения к капсуле поля 50 тесла (справа). Цвет обозначает плотность плазмы: желтый – 0,84 г/см3 (как у керосина). Размер изображения по вертикали – треть миллиметра. / © https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.195002

Управляемый термоядерный синтез является самым привлекательным перспективным источником энергии на Земле. Слияние легких ядер высвобождает больше энергии, чем деление урана, и некоторые из видов термоядерного топлива распространены повсеместно. В каждом литре воды на Земле содержится 34 миллиграмма дейтерия, в которых скрывается почти в триста раз больше энергии, чем в литре бензина.

В природе термоядерный синтез происходит в недрах звезд, но «запрячь» его на Земле — крайне сложная задача. Как и следует из названия, для термоядерного синтеза топливо требуется перевести в состояние плазмы и нагреть до температуры звездных недр – десятков или сотен миллионов градусов. Ни один материал таких условий не выдержит.

Поначалу способы приручить термоядерную энергию разделялись на два класса — с магнитным и инерциальным удержанием плазмы. Первый способ использует тот факт, что магнитное поле препятствует движению заряженных частиц поперек силовых линий. Плазма, которая из них состоит, в достаточно сильном поле может некоторое время удерживаться, не касаясь стенок контейнера. В инерциальном удержании расчет на то, чтобы со всех сторон сжать и разогреть топливо, например с помощью сверхмощного лазера, — и сделать это настолько сильно и быстро, чтобы топливо зажглось, не успев разлететься.

Разработка обоих подходов встретила и продолжает встречать великое множество сложностей. Оказалось, что термоядерная плазма проявляет разнообразные неустойчивости, которые выбрасывают ее на стенки контейнера в первом случае, и не дают объему с топливом как следует сжаться — во втором. Как говорят, до управляемого термоядерного синтеза всегда остается тридцать лет, независимо от того, в каком году сделан прогноз.

Столкнувшись с трудностями, ученые стали совершенствовать и комбинировать способы удержания термоядерной плазмы. Одна из идей заключается в том, что если как следует «намагнитить» топливо, и затем обстрелять его лазерами, магнитное поле поможет плазме чуть дольше удерживаться в малом объеме, и большая часть топлива успеет прореагировать.

Исследовательская коллаборация под предводительством Массачусетского технологического института (MIT) и Ариджита Бозе изучила в экспериментах, что происходит с сильно намагниченной плазмой при сжатии и разогреве. В классической установке для инерциального синтеза капсулу с топливом диаметром около миллиметра облучают со всех сторон, чтобы создать как можно большую симметрию нагрева и сжатия. Внешняя поверхность капсулы испаряется, и реактивная сила толкает остальную часть ее стенки внутрь, сжимая топливо до плотности, в десятки раз большей, чем у свинца, и разогревая его до сотен миллионов градусов. Сферическая геометрия создает максимально возможную степень сжатия.

В магнитном поле имеется выделенное направление — силовые линии — и сферическая симметрия сжатия там невозможна. Вместо этого ученые предположили, что удержание плазмы магнитным полем компенсирует отход от идеальной симметрии.

Схема эксперимента магнитно-инерциального термоядерного синтеза. Серые стрелки показывают облучение лазером, красные – магнитное поле (Applied field). Внешняя испаряющаяся оболочка капсулы показана синим, внутренняя сжимающаяся оболочка – красным. Капсула заполнена газообразной смесью дейтерия с тритием. Сжатие увлекает силовые линии магнитного поля за собой (Flux compressed), как в установках по взрывному созданию импульсного магнитного поля. / © A. Bose, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.195002

В новых экспериментах ученые помещали капсулу с дейтерием и тритием в импульсную катушку, создающую поле до 50 тесла (поле на поверхности неодимового магнита составляет 1 тесла, а магнитное поле Земли — около 0,05 тысячных тесла). Такое сильное поле было нужно, чтобы «поймать» ионы, которые гораздо тяжелее электронов и меньше реагируют на магнитное поле. В токамаке поле составляет несколько тесла, и неудивительно, что в инерциальном эксперименте потребовалось еще более сильное поле. Лазеры облучали капсулу сверху и снизу.

Изображение плазмы в испущенных ей рентгеновских лучах в отсутствие поля (слева) и при его наличии (справа). / © A. Bose, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.195002

Оказалось, что магнитное поле до 8 тесла не влияет на имплозию капсулы, а в поле напряженностью 50 тесла облако плазмы сжалось вдоль силовых линий поля примерно вдвое сильнее, чем в отсутствие поля. Авторы исследования утверждают, что в их эксперименте именно таким образом сказывается уменьшение теплопроводности плазмы в магнитном поле, которое происходит за счет все того же препятствования движению ионов поперек силовых линий.

И немного о перспективах.

Зависимость планируемой даты запуска космического телескопа им. Джеймса Уэбба от текущей даты. © XKCD

С момента появления идеи термоядерных источников энергии прошло уже почти 70 лет, и сейчас инженеры и ученые надеются, что первые киловатт-часы отправятся с термоядерных электростанций в сеть около 2048 – 2051 года. Вспомним, однако, телескоп Джеймса Уэбба: его запуск тоже многократно отодвигался, но было подмечено, что планируемая дата его запуска зависит от даты, которую был сделан прогноз, примерно линейным образом, и две линии пересекаются в 2026 году. Сейчас на дворе 2022-й, а телескоп уже в космосе и готовится начать наблюдения. Надеемся, что с управляемым термоядерным синтезом будет похоже.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Вчера, 14:41
Мария Азарова

Эсминец, «который сражался, словно линкор» и затонул во время боя между американцами и японцами осенью 1944 года, покоится на глубине 6895 метров в Тихом океане.

24 июня
Александр Березин

Новое видео из зоны боевых действий показывает работу систем HIMARS — колесных пусковых установок реактивной артиллерии американского производства. Впрочем, по ряду причин они не смогут оказать заметное влияние на боевые действия. Несмотря на это, их применение может привести к серьезной эскалации конфликта в ином плане.

Вчера, 20:46
Мария Азарова

Авторы нового исследования решили ретроспективно измерить неравенство в отношении здоровья, сравнив смертность политиков со смертностью населения, которое они представляют.

24 июня
Александр Березин

Новое видео из зоны боевых действий показывает работу систем HIMARS — колесных пусковых установок реактивной артиллерии американского производства. Впрочем, по ряду причин они не смогут оказать заметное влияние на боевые действия. Несмотря на это, их применение может привести к серьезной эскалации конфликта в ином плане.

Вчера, 14:41
Мария Азарова

Эсминец, «который сражался, словно линкор» и затонул во время боя между американцами и японцами осенью 1944 года, покоится на глубине 6895 метров в Тихом океане.

Вчера, 20:46
Мария Азарова

Авторы нового исследования решили ретроспективно измерить неравенство в отношении здоровья, сравнив смертность политиков со смертностью населения, которое они представляют.

24 июня
Александр Березин

Новое видео из зоны боевых действий показывает работу систем HIMARS — колесных пусковых установок реактивной артиллерии американского производства. Впрочем, по ряду причин они не смогут оказать заметное влияние на боевые действия. Несмотря на это, их применение может привести к серьезной эскалации конфликта в ином плане.

2 июня
Алиса Гаджиева

Значительная часть научного сообщества отрицает само существование культуры Ацтатлан.

28 мая
Александр Березин

Флот продемонстрировал возможность наносить неперехватываемые ракетные удары на расстоянии, делающим его опасным для авианосных групп противника.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: