Почему ядерный синтез становится неуправляемым. Ученые нашли причину хаотичных магнитных полей
Рассчитать работу ядерного синтеза — задача со звездочкой. Компьютерные модели часто показывают одно, а в реальном реакторе все идет совсем иначе. И вот ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) нашли одного из главных «виновников» этого беспорядка — магнитные поля, которые возникают из ниоткуда.
Ранее ученые спорили, почему плазма ведет себя так хаотично при сжатии лазерами. Принстонская команда наконец получила ответ и, что важнее, создала математическую «шпаргалку» для инженеров, чтобы те наконец могли предсказать поведение плазмы в реакторах.
Речь идет о так называемом методе прямого лазерного термоядерного синтеза. Идея в том, чтобы «ударить» по топливной капсуле кучей мощных лазеров. Металл мгновенно становится плазмой и разлетается в разные стороны. В лабораториях давно замечали: в этот момент в плазме появляются странные магнитные структуры. Но никто не мог объяснить, откуда они берутся.
Оказалось, что эти «теневые» поля — это своеобразная помеха. Они мешают теплу нормально распределяться внутри системы, из-за чего вся реакция становится совершенно непредсказуемой.
Исследователи смоделировали, как лазер «бьет» по алюминиевой пластине, и вычислили порог мощности, после которого плазма начинает вести себя как магнит.
Если лазер слабый — все спокойно. Но стоит перейти определенный предел — и плазма намагничивается за мизерные доли секунды. Сила такого магнитного поля достигает 40 тесла. Для сравнения, это в миллион раз сильнее магнитного поля Земли.
Кирилл Лежнин, который возглавил исследование, говорит, что избежать этого не получится. Даже с идеальными лазерами плазма все равно намагнитится. Дело в «термическом перетягивании каната»: когда плазма расширяется, она успевает остывать по-разному в разных направлениях. Это создает температурный перекос — так называемую неустойчивость Вайбеля. И вот именно она рождает магнитное поле.
Это не просто теоретическая изюминка. Оказалось, что этот «опасный» порог мощности — как раз тот самый уровень, на котором работает большинство современных экспериментальных систем термоядерного синтеза. То есть ученые сейчас делают опыты, где эти магнитные поля уже активно вмешиваются в процесс и «воруют» тепло, замыкая электроны в ловушку.
Чтобы это исправить, команда PPPL вывела формулу. Теперь физикам не надо строить сложную модель с нуля — достаточно подставить в уравнение мощность лазера и тип мишени, чтобы понять, «взорвется» ли магнитное поле во время опыта. Это значительно более простой путь к тому, чтобы сделать термоядерный синтез управляемым, а не случайным.