Ученые из Техасского университета в Остине, Лос-Аламосской национальной лаборатории и компании Type One Energy Group опубликовали в журнале Physical Review Letters работу, решающую одну из ключевых задач термоядерной энергетики. Речь идет о проблеме удержания высокоэнергичных частиц внутри термоядерных реакторов, без чего невозможен устойчивый синтез — процесс, при котором атомные ядра соединяются, выделяя огромное количество энергии.
При термоядерной реакции образуются альфа-частицы, положительно заряженные и обладающие высокой энергией. Если они покидают реактор слишком быстро, плазма — сверхгорячий ионизированный газ, в котором происходит синтез, — не может сохранять нужную плотность и температуру. Чтобы этого избежать, используются магнитные ловушки, то есть специальные конструкции из токонесущих катушек, создающих магнитное поле вокруг плазмы. Однако в этом поле могут быть «дыры» — зоны, через которые частицы утекают. Их поиск и устранение требует огромных вычислительных ресурсов.
Традиционно инженеры либо используют сложные расчеты по законам Ньютона — очень точные, но крайне затратные по времени, либо прибегают к приближенным методам, основанным на возмущениях — они работают быстрее, но дают значительные ошибки. Новая методика, предложенная американскими учеными, основана на симметрии — более глубоком и универсальном подходе. Она позволяет проектировать магнитные системы в десять раз быстрее при той же точности, что и прямые расчеты.
Это особенно важно для стеллараторов — разновидности термоядерных реакторов, впервые предложенной еще в 1950-х годах. Стеллараторами интересуются потому, что в отличие от токамаков, более популярных сегодня реакторов, они потенциально стабильнее и не требуют сильных импульсных токов внутри плазмы. Однако сложная форма катушек делает их проектирование крайне трудоемким. Новый метод способен радикально ускорить этот процесс.
Кроме того, предложенный подход может помочь и в разработке токамаков, где одна из проблем — это так называемые убегающие электроны, очень быстрые и потенциально разрушительные частицы. Новый метод позволяет выявлять уязвимые места магнитной ловушки и для них.
Один из авторов работы, Джош Берби, назвал это сдвигом парадигмы в проектировании термоядерных реакторов: «Мы решили задачу, над которой бьются почти 70 лет». По его словам, без этого подхода просто нет эффективного способа точно предсказывать утечки высокоэнергичных частиц.
В науке и технологиях всегда существуют моменты, которые могут стать основой для нового этапа развития. Один из таких ярких примеров — создание уникального центра исследований, который открыл двери для огромных научных прорывов. Об этом вы можете прочитать в нашей статье, где раскрываются важные моменты истории Института ядерных исследований в Дубне и его роль в мировой науке.
