Ученые нашли причину хаоса внутри термоядерных реакторов

Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) сделали важный шаг к созданию более эффективных термоядерных реакторов. Им удалось объяснить происхождение мощных магнитных полей, которые самопроизвольно возникают внутри горячей плазмы и долгое время оставались одной из нерешенных проблем в экспериментах по термоядерному синтезу.

Изображение: PPPL

Речь идет о так называемом инерциальном термоядерном синтезе, где небольшая капсула с топливом сжимается мощными лазерами. Для успешного запуска реакции энергия должна распределяться максимально равномерно. Однако в реальных экспериментах ученые регулярно наблюдали появление сильных магнитных полей, которые нарушали перенос тепла внутри плазмы и делали ее поведение менее предсказуемым.

Чтобы выяснить причину этого явления, исследователи смоделировали воздействие лазера на алюминиевую мишень. Оказалось, что существует определенный порог мощности лазерного излучения.

Если мощность ниже этого уровня, плазма остается практически немагнитной. Но как только порог превышается, всего за миллиардную долю секунды внутри плазмы возникают магнитные поля силой до 40 тесла. Для сравнения: магнитное поле Земли примерно в миллион раз слабее.

Самым интересным выводом стало то, что даже идеально ровный лазерный луч не способен предотвратить этот эффект. Причина кроется в самой природе расширяющейся плазмы.

После воздействия лазера вещество мгновенно превращается в сверхгорячий газ и начинает быстро расширяться. При этом температура внутри плазмы распределяется неравномерно: вдоль направления расширения она падает быстрее, чем в других направлениях. Возникает своеобразный температурный дисбаланс.

Именно этот дисбаланс запускает физический процесс, известный как неустойчивость Вейбеля. В результате внутри плазмы начинают самопроизвольно формироваться магнитные поля.

После их появления поведение плазмы заметно меняется. Магнитные поля ограничивают движение электронов и препятствуют отводу тепла из зоны воздействия лазера. Это влияет на температуру, плотность и дальнейшее развитие всей термоядерной реакции.

Практическая ценность работы заключается в том, что ученые не только объяснили механизм возникновения этих полей, но и вывели математическую формулу, позволяющую заранее оценить вероятность их появления по параметрам лазера и мишени.

По словам авторов исследования, обнаруженный порог оказался неожиданно низким и соответствует условиям многих современных термоядерных экспериментов. Это означает, что открытый эффект уже сегодня влияет на работу существующих установок, а новая модель поможет точнее проектировать реакторы следующего поколения.

Если результаты подтвердятся в дальнейших экспериментах, разработка может стать важным инструментом на пути к созданию коммерческих термоядерных электростанций, способных вырабатывать практически неисчерпаемую и экологически чистую энергию.

©  iXBT