Лаборатория физики плазмы Принстона открывает новый путь к зажиганию управляемого термоядерного синтеза: стратегия «сначала нагрев, затем топливо» для значительного снижения энергетического порога

Научная группа Лаборатории физики плазмы Принстона (Princeton Plasma Physics Laboratory, PPPL) при Министерстве энергетики США (DOE) недавно предложила инновационную концепцию управления зажиганием термоядерной реакции, наметив оптимальный путь к самоподдерживающейся термоядерной плазме (Burning Plasma) с минимальными затратами внешней энергии. Это исследование, возглавленное физиками Луисом·Дельгадо-Апарисио (Luis Delgado-Aparicio), Масаюки·Оно (Masayuki Ono) и Джонатаном·Менардом (Jonathan Menard), было официально опубликовано в ведущем физическом журнале «Physical Review Letters» (Physical Review Letters).

В области управляемого термоядерного синтеза научное сообщество на протяжении более 70 лет использует классический “критерий Лоусона” (Lawson Criterion), установленный в 1950-х годах, в качестве теоретической финишной черты для оценки способности плазмы поддерживать самоподдерживающееся горение. Однако классическая формула не указывает оптимальный инженерный путь к пересечению этой финишной черты. Многие термоядерные подходы склоняются к прямолинейной стратегии “сначала повысить плотность плазмы, затем применить интенсивный вспомогательный нагрев”; однако команда PPPL путём математического моделирования доказала, что такое лобовое противостояние не только чрезвычайно энергозатратно, но и с высокой вероятностью провоцирует инженерные узкие места. Напротив, если изменить временную последовательность и применить обходную стратегию “сначала полностью нагреть плазму до сверхвысоких температур, затем инжектировать топливо для повышения её плотности”, это подобно обходу через горный перевал в обход крутых пиков и позволяет преодолеть порог при значительно меньших затратах внешней энергии.

На уровне физики реактора этот путь направляет траекторию зажигания к энергетической впадине, известной как “седловая точка Кордея” (Cordey Saddle) —— то есть к низшей точке водораздела, разделяющего режимы, требующие внешнего вспомогательного нагрева, и режимы самоподдерживающегося горения. Традиционные упрощённые модели в условиях идеально чистого топлива предполагают, что седловая точка находится при коэффициенте энергетического усиления Q≈5, однако в реальных рабочих условиях такие физические эффекты, как примеси в плазме и сверхсильные магнитные поля, смещают положение седловой точки и повышают требуемое значение Q.

Ключевое достижение данного исследования PPPL заключается в том, что множественные сложные физические ограничения впервые были интегрированы в единую динамическую модель, системно учитывающую четыре ключевых ограничивающих фактора, которые ранее рассматривались по отдельности: эффект разбавления топлива “гелиевой золой” (Helium Ash), образующейся в результате термоядерных реакций в активной зоне; загрязнение лёгкими и тяжёлыми примесями, осыпающимися с внутренней стенки устройства, обращённой к плазме; потери на синхротронное излучение (Synchrotron Radiation Losses), возникающие при движении заряженных частиц в сверхсильных магнитных полях; а также потери на теплопроводность плазмы, резко возрастающие с повышением температуры.

В исследовании особо отмечается сильное возмущающее влияние материалов внутренней стенки на сложность зажигания. В настоящее время более десяти термоядерных установок следующего поколения по всему миру выбрали тугоплавкий металл вольфрам (Tungsten) в качестве материала первой стенки, однако расчёты показывают, что попадание в плазму лишь одной десятитысячной доли (0,01%) микроскопической примеси вольфрама может привести к росту давления плазмы, необходимого для достижения зажигания, примерно вдвое; а при переходе к трёхмерной геометрии магнитного поля это давление может напрямую превысить предел макроскопической магнитогидродинамической устойчивости плазмы.

Тем не менее, в исследовании также отмечается, что этот сложный механизм радиационных потерь объективно играет роль естественного “предохранительного клапана”. В термоядерных реакторах давно вызывала опасения нестабильность “теплового разгона”, вызванная цепным интенсивным нагревом вследствие выделения тепла термоядерных реакций, и нелинейный рост примесей и радиационных потерь как раз способен компенсировать положительную обратную связь теплового разгона, благодаря чему самоподдерживающаяся горящая плазма самостоятельно удерживается в стабильной рабочей точке. Для снижения сложности зажигания в статье дополнительно предложены такие сопутствующие инженерные оптимизационные меры, как нанесение жидкого лития (Liquid Lithium) на первую стенку для блокирования распыления примесей вольфрама и повышения теплоизоляции, а также использование топлива с ядерной спиновой поляризацией (Spin-Polarized Fuel) для увеличения сечения термоядерной реакции. В настоящее время команда развёртывает высокоточные численные симуляционные эксперименты для всестороннего цифрового моделирования и обоснования этой новой парадигмы управления зажиганием “сначала нагрев, затем инжекция топлива”.