Слънцето е най-яркият пример за огромния потенциал на ядрения синтез. В недрата му, под въздействието на изключително високи температури и огромно налягане, водородните ядра се сливат и образуват хелий. При този процес се освобождават колосални количества енергия.

Ако успеем да възпроизведем подобни реакции на Земята, ядреният синтез би могъл да постави началото на истинска енергийна революция, осигурявайки практически неизчерпаем източник на енергия без въглеродни емисии. Пресъздаването на условията в сърцето на една звезда в лабораторна среда обаче се оказва изключително сложно предизвикателство.

Сега учени от Принстънския университет представят ново изследване, публикувано в научното списание Physical Review Letters, което очертава възможност за по-бързо и ефективно постигане на устойчив ядрен синтез. Разработеният от тях подход предлага своеобразен пряк път към състоянието, известно като „запалване“ – моментът, в който енергията от термоядрените реакции е достатъчна, за да поддържа необходимата температура на плазмата без допълнително външно нагряване.

По-лесният път невинаги минава през върха

За да обяснят идеята си по достъпен начин, изследователите използват любопитно сравнение. Представете си, че целта – постигането на „запалване“ – се намира в долина, скрита зад висока планинска верига. Вместо да изкачваме стръмните върхове, можем просто да намерим маршрут, който заобикаля планините.

„Много компании се опитват да стигнат до целта по най-прекия, но и най-трудния път, като влагат огромни количества енергия“, обяснява физикът Луис Делгадо-Апарисио.

„Вместо да изкачвате върха, заобиколете го. Така ще стигнете до същото място по много по-разумен начин и с далеч по-малък разход на енергия.“

Търсенето на по-ефективни решения е особено важно на фона на бързия напредък в разработването на експериментални термоядрени реактори. Например китайското „изкуствено слънце“ постави нов рекорд, като успя да поддържа плазмата в стабилно състояние в продължение на 1066 секунди. Постижението показва колко важен е прецизният контрол върху условията в реактора.

Четири фактора, които могат да променят всичко

В основата на новото изследване стои разширена версия на критерия на Лоусън. Формулиран през 50-те години на XX век, той определя физичните условия, които трябва да бъдат изпълнени, за да се постигне „запалване“ в термоядрен реактор.

Учените надграждат досегашния модел, като включват в изчисленията четири допълнителни фактора: натрупването на хелиева пепел – остатъчен продукт от термоядрените реакции; замърсяването на плазмата с частици от стените на реактора; загубите на енергия вследствие на т.нар. синхротронно излъчване; както и топлината, която плазмата губи.

Влиянието на всеки от тези процеси върху „запалването“ е изследвано и преди. Досега обаче те не са били включвани едновременно в един общ модел. Именно това позволява на екипа да получи по-пълна и реалистична представа за условията, необходими за успешната работа на термоядрените реактори.

„Ако не вземете предвид тези ефекти, може да решите, че даден проект ще работи безупречно“, обяснява Масаюки Оно. „Когато обаче ги включите в изчисленията, картината се променя съществено.“

Термоядрен реактор от типа токамак. Снимка: Rswilcox / CC BY-SA 4.0.

Оказва се, че последователността е от решаващо значение

Една от основните цели на изследването е да бъде открит оптималният път към „запалването“, който изисква възможно най-малко енергия. В математиката този подход е свързан с понятието „седлова точка на Корди“ (Cordey saddle).

Ако се върнем към сравнението с планинската верига, учените търсят най-лесния маршрут до долината от другата ѝ страна.

Изчисленията им показват, че най-ефективната стратегия е плазмата първо да се нагрее до необходимата температура и едва след това да се повиши нейната плътност. Обратната последователност изисква повече енергия.

Това откритие е особено важно, тъй като поддържането на плазмата при екстремно високи температури остава едно от най-големите предизвикателства пред термоядрената енергетика.

През последните години в тази област бяха постигнати редица впечатляващи резултати. Например южнокорейски термоядрен реактор успя да поддържа плазма с температура от 100 милиона градуса в продължение на почти 50 секунди.

Новите модели на екипа от Принстън разкриват и друга съществена подробност. Оказва се, че дори минимално количество волфрам може да попречи на протичането на термоядрения синтез.

Това създава сериозно предизвикателство за инженерите, тъй като волфрамът е сред материалите, предвидени за изграждането на стените на няколко бъдещи реактора. Причината е неговата изключителна устойчивост на високи температури. За да работят надеждно тези съоръжения, ще бъде необходимо да се предотврати попадането на волфрамови частици в плазмата.

Енергийните загуби невинаги са недостатък

Изследователите установяват и нещо на пръв поглед парадоксално – някои от процесите, които затрудняват термоядрения синтез, могат същевременно да допринесат за неговата стабилност.

Според изчисленията загубите на енергия чрез излъчване и изтичането на топлина действат като естествен механизъм за регулиране на реакциите. Те могат да предотвратят нежелани колебания и да помогнат за поддържането на стабилна плазма. Същевременно обаче тези процеси затрудняват първоначалното достигане до „запалване“.

Така учените се изправят пред сложна задача – да намерят оптималния баланс между необходимата висока температура, ефективното задържане на плазмата и устойчивостта на термоядрените реакции.

Колко динамични и сложни са процесите в подобни съоръжения, показват и впечатляващи кадри на плазма в термоядрен реактор, заснети със скорост 16 000 кадъра в секунда.

„Докато изследванията на термоядрения синтез преминават от експерименти с плазма, в която протичат термоядрени реакции, към разработването на реактори за производство на електроенергия в промишлени мащаби, нашият модел предлага навременна и надеждна основа за оценка на възможностите за постигане на „запалване“, стабилността и ефективността на устройствата от следващо поколение“, пишат авторите в научната си публикация.

Ще ни доближи ли откритието до работещи термоядрени електроцентрали?

Важно е да се отбележи, че изследването засега е изцяло теоретично – учените не са провеждали практически изпитвания или експерименти.

Въпреки това резултатите могат да се окажат изключително ценни. В момента се разработват и проектират множество нови термоядрени реактори, а по-точните модели за тяхната работа биха могли значително да повишат шансовете за успех. Това би спестило не само години изследвания и разработки, но и огромни финансови ресурси.

Сред специалистите все още няма единодушие кога ще разполагаме с работещи термоядрени електроцентрали – нито дори дали тази цел ще бъде постигната.

Новото изследване обаче показва, че съществува реалистичен начин да се преодолеят част от препятствията. Заедно с останалите научни постижения през последните години то ни приближава още повече до практическото използване на енергията от ядрения синтез.

Важна крачка в тази посока беше направена и когато учени в САЩ обявиха исторически пробив в областта на ядрения синтез. Подобни постижения постепенно превръщат технология, която доскоро изглеждаше далечна перспектива, във все по-реалистична възможност.

„Предстои още много работа, но тези резултати са изключително обнадеждаващи. Те очертават ясна посока за бъдещите изследвания в областта“, казва физикът Джонатан Менард.

Изследването е публикувано в научното списание Physical Review Letters.