Как приручить термоядерное горение: ученые познают секреты работы с плазмой

Исследователи из Милана, Италия, раскрывают фундаментальные свойства материи при температуре 150 миллионов градусов, измеряя ее внутреннее излучение.

Ядерный синтез — это процесс, который питает звезды. Он основан на большом количестве энергии, которая выделяется, когда легкие ядра объединяются в более плотно связанные тяжелые ядра. Последние делятся избыточной энергией, описываемой формулой Эйнштейна E=Δmc², где Δm — разница между массами тяжелого и легкого ядер, а c — скорость света. Одна реакция ядерного синтеза высвобождает в среднем в миллион раз больше энергии, чем обычная реакция сгорания ископаемого топлива, поэтому неудивительно, что именно этот фундаментальный процесс питает Вселенную.

На Земле наиболее перспективный путь к достижению ядерного синтеза для производства энергии заключается в том, чтобы заключить полностью ионизированный газ, называемый плазмой, в сложную магнитную клетку, называемую токамаком. Чтобы использовать ядерный синтез для производства энергии, необходимо одновременно выполнить ряд сложных условий. Одним из условий является достижение ядром плазмы температуры около 150 миллионов градусов, что примерно в десять раз выше температуры в ядре Солнца. Другое условие — достаточно высокая плотность плазмы, чтобы обеспечить слияние достаточного количества топлива. И последнее — энергия, высвобождающаяся при таком процессе, должна оставаться в системе достаточно долго. Это необходимо для того, чтобы условия, необходимые для продолжения термоядерного горения, поддерживались самой системой при минимальном поступлении энергии извне.

Таким образом, измерение температуры и, в целом, свойств активной зоны термоядерного реактора является фундаментальной задачей для развертывания ядерного синтеза в качестве источника энергии на Земле. Но как провести измерения объекта, температура которого, как ожидается, составляет 150 миллионов градусов? Конечно, мы не можем использовать в качестве термометра твердый зонд, поскольку он, скорее всего, будет разрушен самой плазмой!

Ключом к решению этой задачи является понимание того, что термоядерная плазма — это очень интенсивный источник электромагнитного и ядерного излучения. Сюда входят нейтроны, которые являются переносчиками энергии процесса и рождаются в результате реакции синтеза, а также гамма-излучение, которое может спонтанно возникать при синтезе, в результате других ядерных реакций, протекающих преимущественно в ядре, или при замедлении быстрых электронов в некоторых нештатных сценариях.

Группа диагностики нейтронного и гамма-излучения Университета Милано-Бикокка и Института плазменных наук и технологий, расположенных в Милане (Италия), является мировым экспертом в разработке приборов для измерения нейтронного и гамма-излучения из магнитоограниченной термоядерной плазмы и их применения для раскрытия секретов ядра термоядерного реактора.

Измерение нейтронного излучения из ядра плазмы

В первом поколении реакторов термоядерного синтеза в качестве топлива будут использоваться дейтерий и тритий, два изотопа водорода. В процессе синтеза между одним ядром дейтерия и одним ядром трития выделяется нейтрон, преимущественно из ядра, который имеет энергию, зависящую от свойств реагирующих ядер, например, от их температуры и относительной распространенности.

Другими словами, подобно спектру света, излучаемого далекой звездой, энергетический спектр нейтронов, рождающихся при термоядерном синтезе, является отпечатком свойств ионов плазменного топлива, определяющих термоядерный синтез. Измерение нейтронов, однако, является нетривиальной задачей.

Будучи незаряженными, нейтроны нелегко поймать, поскольку они лишь изредка вступают во взаимодействие с веществом. Более того, при взаимодействии с веществом они могут отдать в детектор лишь часть своей энергии, что усложняет анализ.

Важной задачей на пути к цели измерения нейтронов, высвобождаемых при термоядерном синтезе, является обеспечение разработки и создания надлежащих спектрометров с тонкими деталями, которые часто зависят от конкретного применения. По этим причинам нейтронные приборы могут выглядеть совершенно по-разному. Для некоторых приложений можно использовать небольшие детекторы, которые легко интегрируются в сложную инженерную среду токамака. Это могут быть неорганические сцинтилляторы⁵ или полупроводники, такие как монокристаллические алмазные детекторы, выращенные синтетическим путем по технологии, аналогичной той, что недавно была применена в ювелирной промышленности.

Если требуется широкополосное применение или особенно высокая чувствительность к малым изменениям свойств топлива, необходимо разработать и изготовить более сложные приборы, которые, однако, сложнее интегрировать в термоядерный реактор. В качестве примера можно привести приборы для измерения времени полета или магнитной отдачи протонов.

Гамма-лучи и энергичные частицы

Хотя большинство ионов в реакторе термоядерного синтеза находятся в равновесии при температуре около 150 миллионов градусов, меньшая часть частиц обладает энергией, значительно превышающей эту величину. Это быстрые ионы, образующиеся в ходе самих термоядерных реакций или вносимые вспомогательными системами нагрева, которые необходимы для внешнего контроля термоядерного горения. В некоторых нештатных сценариях также генерируются энергичные электроны — так называемые убегающие электроны, — которые, если их не обнаружить и не смягчить, могут значительно повредить стенки вакуумной камеры, в которой находится плазма термоядерного устройства.

Все эти энергичные миноры также должны быть диагностированы, но их труднее обнаружить по сравнению с большинством топливных ионов. В каком-то смысле это похоже на поиск иголки в стоге сена, с дополнительным осложнением в виде того, что стог находится при температуре 150 миллионов градусов!

К счастью, энергичные частицы в термоядерном устройстве также испускают излучение, чаще всего высокоэнергетическое электромагнитное излучение. Они известны как гамма-лучи и обусловлены либо какими-то другими ядерными реакциями, помимо основного ядерного синтеза, происходящего в плазме, либо так называемым бремсстралунговым излучением, преимущественно испускаемым убегающими электронами.

В зависимости от типа и свойств частиц энергия и интенсивность гамма-излучения, испускаемого плазмой, различны. Цель измерения в данном случае — разделить и идентифицировать различные энергетические группы гамма-лучей, составляющих общую эмиссию, и на основе их детального анализа сделать вывод о свойствах энергичных частиц, ответственных за их производство. Как и нейтроны, гамма-лучи лишь изредка взаимодействуют с веществом и часто выделяют в детекторе лишь часть своей полной энергии. Это еще больше усложняет анализ, помимо внутренней сложности излучения, являющегося результатом нескольких процессов, а не только одного типа реакции синтеза, как в случае с нейтронами.

С другой стороны, для обнаружения гамма-излучения требуются сравнительно более простые приборы, чем нейтронные спектрометры, например, неорганические сцинтилляторы средних размеров, конструкция которых, однако, все равно должна быть индивидуальной в зависимости от условий измерения на каждом приборе.

Ядерная диагностика в эпоху горящей плазмы

Следующим шагом на пути к конечной цели — производству энергии путем ядерного синтеза в токамаках — является генерация горящей плазмы. Это особое состояние, при котором термоядерное горение поддерживается в основном за счет тепла, выделяемого в результате термоядерной реакции, как это необходимо в термоядерном реакторе, а не за счет внешних систем нагрева.

В настоящее время строится несколько установок для достижения и изучения такого режима. Наиболее важными проектами, пожалуй, являются ITER в Европе, SPARC в США и BEST в Китае.

В режиме горения плазма будет еще более интенсивным источником излучения, что предполагает, что нейтронная и гамма-диагностика будет играть первостепенную роль в раскрытии сложных, нелинейных явлений, определяющих динамику фундаментально самоорганизованной горящей плазмы термоядерного реактора.

Миланская группа нейтронной и гамма-диагностики находится на переднем крае исследований этого захватывающего нового режима благодаря проектированию и разработке нейтронных и гамма-спектрометров для самых важных устройств горящей плазмы, находящихся в стадии строительства.

Более того, молодое поколение ученых проходит подготовку на уровне докторантуры и аспирантуры, чтобы стать пионерами в использовании таких ядерных инструментов на неизведанной территории горящей плазмы и, возможно, внести свой вклад в открытие фундаментальных законов, определяющих поведение реакторной плазмы, необходимой для будущего производства энергии на Земле.

Ранее ученые заявили, что ядерная энергия, конечно, опасна, но она спасает жизни.

18.01.2025