Ударный синтез предлагает переводить алмазы в энергию

Если массовых термоядерных электростанций по новой схеме создать не получится, даже одна такая установка окажется интересным инструментом для экспериментов в области физики высоких энергий (иллюстрация с сайта dvice.com).

В попытке оседлать термояд учёные активно развивают два магистральных направления и продолжают спорить, какое из них перспективнее. Но не исключено, что лучшим решением окажется сравнительно новая схема, своего рода боковое ответвление от двух проторённых путей. Оказывается, для запуска вожделённой реакции можно использовать стрельбу алмазами.

Одним из самых экзотических методов управляемого термоядерного синтеза — «ударным» (Impact Fusion) — несколько лет занимается группа исследователей из Пекинского университета (Peking University) и его лаборатории ядерной физики и технологии (State Key Laboratory of Nuclear Physics and Technology).

За последнюю пару лет китайские специалисты выпустили несколько работ по этой теме: статью, размещённую на сайте МАГАТЭ (PDF-документ), материал, вышедший в журнале Nuclear Fusion, и результат свежего численного моделирования, выложенный в Сеть университетом. Все эти исследования велись на кончике пера, однако в будущем, возможно, они выльются в какие-то натурные эксперименты.

Первое направление в управляемом синтезе: системы с относительно длительным удержанием и разогревом плазмы. Это различного вида стеллараторы, токамаки (на рисунке – самый масштабный проект такого рода – ITER) и экзотический левитирующий диполь.
Второе: импульсные системы, в которых задача удержания топлива возложена на силы инерции. В таких устройствах предполагается генерировать серию микроскопических термоядерных взрывов. Самый яркий пример – американская установка со 192 мощными лазерами для кругового обстрела мишени. Менее известны проекты с 

Новые расчёты делают «ударный синтез» несколько более реальным. Если раньше физики изучали возможность использования в данной схеме легкогазовых и рельсовых пушек (вывод — они слишком слабы), то китайцы сообщают: единственный доступный способ получения желаемых параметров — многоступенчатый электростатический линейный ускоритель.

Авторы исследования пишут, что пылевые частицы весом 10-10 грамма учёным уже удавалось разгонять до 100 км/с — при помощи электростатических ускорителей, питаемых генератором Ван де Граафа (Van de Graaff generator).

А ещё в этой связи можно вспомнить, как за счёт сверхсильных полей физики получили ускорение твёрдого макроскопического тела в 10 миллиардов g, правда, на очень коротком отрезке пути.

Ускорители частиц (на снимке), питаемые генераторами Ван де Граафа, известны уже десятки лет. Однако построить многокилометровый аналог, способный работать не с пучками, а с миллиметровыми кристалликами алмаза, – задача непростая (фото David Monniaux).

Отсюда до трёх миллиграммов и 1000 км/с — немалая дистанция. Но, ориентируясь на опыт возведения крупнейших ускорителей, можно сказать, что создать «пушку» для макронов — всё же реально. В длину она будет насчитывать от 100 километров до всего 4 км в зависимости от того, какую напряжённость поля смогут обеспечить инженеры в установке.

Алмаз в роли ударника выбран из-за важного сочетания свойств. Он обладает высокой прочностью, но в то же время умеренной плотностью, что хорошо для выбранного метода ускорения. К тому же у алмаза — как ионизированной частицы — низкие потери на тормозное излучение.

Мощность реакции синтеза (вверху, шкала по вертикали – петаватты) и плотность дейтерия и трития (внизу, 1024 частиц на см3) после удара снаряда по мишени при скорости соударения в 800 (сплошная кривая) и 830 (пунктир) километров в секунду. На всех графиках по горизонтали – время в наносекундах (иллюстрация Y. A. Lei, J. Liu, Z. X. Wang).

Физики рассматривают миллиметровый алмаз как аналог пучка ионов. И хотя энергия каждого отдельного атома в таком случае оказывается очень далека от рекордной, плотность «пучка» будет в миллиарды раз выше, чем плотность ионных пучков в традиционных ускорителях частиц. Именно это, наряду с высокой скоростью, по расчётам физиков и должно обеспечить начало термоядерного синтеза в точке удара алмазного снаряда и метановой мишени.

Учёные полагают, что, несмотря на трудности с постройкой большого ускорителя алмазов, новая схема окажется проще и дешевле прежних вариантов, ведь остальные части комплекса существенно упрощаются. Достаточно сказать, что тут не нужны ни сверхмощные лазеры, ни многотонные сверхпроводящие магниты, как в соперничающих схемах.

Вверху: распределение мощности, выделяющейся в ходе реакции, по электронам и ионам (петаватты). Внизу: распределение температуры частиц (килоэлектронвольты). На всех графиках по горизонтали – время в наносекундах (иллюстрация Y. A. Lei, J. Liu, Z. X. Wang).

Физики рассмотрели как энергия, выделяемая в ходе синтеза, распределяется по нейтронам, электронам и ионам, отметив, что её можно использовать не только для выработки электричества. Так, нейтроны, на которые придётся львиная доля энергии, можно задействовать для бридинга ядерного топлива. Благо пространство в камере реакции ничем не занято, и там можно разместить блоки с делящимся веществом.

В численном моделировании соударения снаряда и мишени, а также последующих процессов учёные ограничились первыми 50 наносекундами (тут важно было убедиться, что реакция запущена). Но даже за это время, похоже, мишень выдаст в разы больше энергии, чем было потрачено не только на разгон снаряда, но даже на получение этого кристалла.

Правда, в такой системе всё ещё не ясным остаётся общий КПД: вопрос утилизации энергии микровзрывов подробно не рассматривался. Но в случае эффективной работы системы даже синтетические алмазы могут оказаться недорогим «расходным материалом».



Физики расширили дальность действия всевидящих волн

16 июля 2010

Солнце посчитали накопителем тёмной материи

13 июля 2010

Мюон указал на ошибку в размере протона

9 июля 2010

Получено самое холодное антивещество

7 июля 2010

Измерен самый быстрый физический процесс

28 июня 2010