В термоядерном реакторе нашли неожиданную проблему: примесь вольфрама может вдвое повысить давление

Физики из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) нашли более экономичный, по расчётам, путь к зажиганию термоядерной плазмы. Вместо традиционного увеличения плотности с последующим нагревом модель предлагает сначала нагреть плазму, а затем повышать её плотность. Одновременно расчёты показали, что даже крайне небольшое количество вольфрама внутри плазмы способно резко увеличить требования к установке.

Исследователи переработали классический критерий Лоусона, который используется около 70 лет для оценки условий, при которых плазма сможет поддерживать термоядерную реакцию без постоянного внешнего нагрева. В новую модель добавили сразу несколько факторов, отсутствовавших в идеализированном варианте: накопление гелия после реакций, лёгкие и тяжёлые примеси со стенок установки, синхротронное излучение и утечку тепла из плазмы.

Получившуюся картину учёные описывают через так называемый перевал Корди — область на границе между плазмой, которой всё ещё требуется внешний нагрев, и самоподдерживающейся плазмой. В идеальном случае расчётный показатель усиления Q в этой точке составляет около 5: термоядерная плазма должна производить примерно в пять раз больше энергии, чем поступает к ней от системы нагрева. Реальные потери и примеси сдвигают эту границу и усложняют достижение зажигания.

Особенно заметным оказался эффект вольфрама. Этот металл выбирают для внутренних поверхностей многих будущих термоядерных установок из-за способности выдерживать экстремальные температуры. Однако расчёты PPPL показали, что концентрация всего одна частица вольфрама на 10 000 частиц плазмы способна примерно вдвое увеличить давление, необходимое для зажигания. В трёхмерной модели требуемое давление, по расчётам, может превысить уровень, при котором плазма сохраняет устойчивость.

При этом потери энергии имеют парадоксальный эффект. С одной стороны, они мешают достичь условий зажигания, а с другой — способны сдерживать тепловой разгон плазмы, при котором усиление реакции приводит к ещё большему нагреву и дальнейшему ускорению реакции.

Авторы также рассматривают жидколитиевые покрытия стенок как один из способов уменьшить попадание вольфрама в плазму, а поляризованное топливо — как потенциальный способ увеличить скорость термоядерных реакций.

Источник: pppl