Ученые добились самоподдерживающегося ядерного синтеза... Но теперь они не могут его воспроизвести

Ученые подтвердили, что в прошлом году впервые в лаборатории они добились реакции синтеза, которая самовоспроизводится (а не затухает), приближая нас к воспроизведению химической реакции, которая питает Солнце.

Однако они не совсем уверены в том, как воссоздать этот эксперимент.

Ядерный синтез происходит, когда два атома объединяются для создания более тяжелого атома, высвобождая при этом огромный всплеск энергии.

Этот процесс часто встречается в природе, но его очень трудно воспроизвести в лаборатории, поскольку для поддержания реакции необходима высокоэнергетическая среда.

Солнце вырабатывает энергию с помощью ядерного синтеза - путем слияния атомов водорода с образованием гелия.

Сверхновые - взрывающиеся солнца - также используют ядерный синтез для своих космических фейерверков. В результате этих реакций образуются более тяжелые молекулы, такие как железо.

Однако в искусственных условиях на Земле тепло и энергия обычно уходят через механизмы охлаждения, такие как рентгеновское излучение и теплопроводность.

Чтобы сделать ядерный синтез жизнеспособным источником энергии для людей, ученые сначала должны добиться того, что называется "зажиганием", когда механизмы самонагревания превозмогают все потери энергии.

Как только зажигание достигнуто, термоядерная реакция приводит себя в действие.

В 1955 году физик Джон Лоусон создал набор критериев, известных сегодня как "критерии зажигания по Лоусону", чтобы помочь распознать, когда произошло зажигание.

Воспламенение ядерных реакций обычно происходит в чрезвычайно интенсивных средах, таких как сверхновые звезды или ядерное оружие.

Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора в Калифорнии потратили более десяти лет на совершенствование своей техники и теперь подтвердили, что в ходе знакового эксперимента, проведенного 8 августа 2021 года, действительно произошло первое в истории успешное зажигание реакции ядерного синтеза.

В ходе недавнего анализа эксперимент 2021 года оценивался по девяти различным версиям критерия Лоусона.

"Мы впервые преодолели критерий Лоусона в лаборатории", - сказала New Scientist физик-ядерщик Энни Критчер из Национального центра зажигания.

Чтобы достичь этого эффекта, команда поместила капсулу с тритиевым и дейтериевым топливом в центр камеры с золотым покрытием из обедненного урана и запустила в нее 192 высокоэнергетических лазера, чтобы создать ванну интенсивного рентгеновского излучения.

Интенсивная среда, созданная направленными вовнутрь ударными волнами, привела к самоподдерживающейся реакции синтеза.

В этих условиях произошло слияние атомов водорода с выделением 1,3 мегаджоуля энергии в течение 100 триллионных долей секунды, что составляет 10 квадриллионов ватт мощности.

В течение прошлого года исследователи пытались повторить этот результат в четырех аналогичных экспериментах, но им удалось получить лишь половину того количества энергии, которое было получено в рекордном первоначальном эксперименте.

Воспламенение очень чувствительно к небольшим, едва уловимым изменениям, таким как различия в структуре каждой капсулы и интенсивности лазеров, объясняет Критчер.

"Если вы начинаете с микроскопически худшей начальной точки, это отражается в гораздо большей разнице в конечном выходе энергии", - говорит физик плазмы Джереми Читтенден из Имперского колледжа Лондона. "Эксперимент 8 августа был наилучшим сценарием".

Теперь команда хочет определить, что именно требуется для достижения зажигания и как сделать эксперимент более устойчивым к небольшим ошибкам. Без этих знаний процесс не может быть масштабирован для создания термоядерных реакторов, способных обеспечить энергией города, что является конечной целью такого рода исследований.

"Вы не хотите оказаться в положении, когда для получения зажигания нужно сделать абсолютно все правильно", - говорит Читтенден.

Эта статья была опубликована в журнале Physical Review Letters.