Превосходство бора: ученые нашли новый метод термоядерного синтеза

Австралийский стартап HB11 Energy представил новый метод термоядерного синтеза. Вместо того чтобы нагревать изотопы водорода до сотни миллионов градусов, ученые предложили запускать термоядерную реакцию между водородом и бором‑11 с помощью лазера.

Термоядерный синтез инициировали с помощью петаваттного лазера LFEX в Университете Осаки (Япония). «Ядерные реакции между протонами и ядрами бора‑11, использовавшиеся для получения энергетических альфа-­частиц, инициировались в плазме, генерируемой взаимодействием лазера мощностью около 3×10¹⁹ Вт/см² и мишени из нитрида бора толщиной 0,2 мм, — ​пишут участники исследования Дмитрий Батани и Даниэль Маргон в статье «Целевая бор-протонная термоядерная реакция с использованием петаваттного лазера», опубликованной в журнале Applied Sciences. — ​Высокая скорость реакции синтеза, а следовательно, и большой поток альфа-­частиц были созданы и измерены благодаря потоку протонов, ускоренному на передней поверхности мишени. Это был первый эксперимент, подтверждающий принцип действия, который продемонстрировал эффективную генерацию альфа-­частиц».

Конструкция для эксперимента представляет собой полую металлическую сферу, где в центре удерживается топливная таблетка. С разных сторон сферы расположены отверстия для двух лазеров. Один лазер обеспечивает магнитное поле, удерживающее плазму, второй запускает лавинообразную цепную термоядерную реакцию. Альфа-частицы, генерируемые реакцией, создают электрический поток, который может быть направлен почти напрямую в электрическую сеть, не требуя теплообменника или паровой турбины.

Существуют две принципиальные схемы осуществления управляемого термоядерного синтеза. Первая — ​квазистационарные системы, в которых плазма удерживается магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре. Для этого применяются токамаки, стеллараторы и зеркальные ловушки, которые различаются между собой конфигурацией магнитного поля. Вторая — ​импульсные системы. В них управляемый термоядерный синтез осуществляется путем кратковременного нагрева небольшой мишени, содержащей дейтерий и тритий, сверхмощными лазерными лучами или пучками высокоэнергичных частиц (ионов, электронов). Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов. Токамак — ​наиболее проработанная концепция, но и другие варианты могут быть перспективными.

Сама по себе идея лазерного, или импульсного, термоядерного синтеза не нова: ее еще в 1964 году предложили академики Николай Басов и Олег Крохин. Инновация австралийских ученых заключается в том, что они инициировали термоядерную реакцию между бором и водородом, а не между изотопами водорода — ​дейтерием и тритием, как предлагалось ранее. Для зажигания дейтерий-­тритиевого синтеза нужна очень высокая температура. «Во многих экспериментах по термоядерному синтезу используются лазеры для нагревания до сумасшедших температур — ​мы этого не делаем, — ​говорит Уоррен Маккензи, управляющий директор HB11 Energy. — ​Мы используем лазер для массового ускорения водорода через образец бора, используя нелинейное форсирование. Можно сказать, что мы используем водород в качестве дротика и надеемся попасть в бор, и если мы в него попадем, то сможем начать реакцию синтеза. С научной точки зрения температура — ​это скорость движения атомов. Когда термоядерный синтез создают при помощи высокой температуры, то, по существу, случайным образом перемещают атомы в надежде, что они столкнутся друг с другом. Наш подход гораздо ­точнее».

В ходе первой демонстрации концепции HB11 Energy реакция синтеза водорода и бора произвела в 10 раз больше термоядерных реакций, чем ожидали разработчики. Это их так вдохновило, что ученые заявили: теперь австралийский стартап является «глобальным лидером в гонке за коммерциализацию святого Грааля чистой энергии».