Инерциальный термоядерный синтез: облачное настоящее

Без дешёвой электроэнергии нет развивающейся промышленности. А без промышленности, как догадываются жители нашей страны с высоким IQ, в современном мире тяжело. Именно поэтому надежды значительной части человечества (с ещё более высоким IQ) прикованы к запуску управляемой и экономически эффективной термоядерной реакции.

Исследователи из Университета штата Огайо (США) под руководством Криса Орбана (Chris Orban) провели компьютерное моделирование конусной схемы двухстадийного инерциального ядерного синтеза и установили, что его реализация, по всей видимости, маловероятна.

Широкий (справа) и узкий (слева) конусы показали не совсем то поведение электронов, которое от них ожидалось. (Иллюстрация OSU.)

Между тем именно эта схема не так давно была предложена в качестве одной из «наиболее перспективных» для инерциального термоядерного синтеза. Вот о чём речь: мишень с термоядерным топливом вначале подвергается имплозии — направленному вовнутрь взрыву, вызываемому интенсивным лазерным облучением; затем, после достижения необходимой плотности, мишень обстреливают ещё более интенсивными (петаваттными) лазерными импульсами, позволяющим запустить термоядерную реакцию. Ну или не позволяющими, как теперь выяснилось.

Конкретно учёные исследовали конусный вариант быстрой инициации термоядерного синтеза. В отличие от стандартной ситуации, когда петаваттный импульс на втором этапе должен пробиваться через плазму, которая окружает сжимающуюся капсулу, при конусном методе обстреливаемая мишень располагается на узком конце конуса. Считалось, что такой метод инерциального синтеза будет на порядок менее энергозатратным.

При моделировании (использовался суперкомпьютерный кластер с пиковой производительностью до 154 терафлопсов) выяснилось, что концентрация релятивистских электронов, разогнанных в конусе взаимодействием с лазером, будет недостаточной для доставки необходимого количества энергии до мишени с топливом. Связано это с тем, что электрические поля, создающиеся на узком конце конуса, слишком далеки от электронов, генерируемых во всём объеме конуса, а потому не могут в достаточной степени обеспечить их передачу в заранее выбранном направлении.

Чтобы проверить итоги моделирования, учёные поставили эксперимент с лазером, в принципе слишком слабым для поддержания устойчивой термоядерной реакции, однако достаточным для установления характера распространения электронов в конусе. Для определения эффективности конверсии энергии лазерного импульса в релятивистские электроны к мишени в виде полого конуса были прикреплены медные провода. Авторы работы замеряли уровень рентгеновских фотонов, воздействующих на медный проводник, как меру такой конверсии.

Уровень соответствующего сигнала совпал с предсказаниями исследователей, то есть был ниже того, о чём мечталось до моделирования. «Это свидетельство того, что стандартный поход к быстрой инициации термоядерного синтеза в конусном варианте не будет работать», — подытоживает Крис Орбан.

Несмотря на то что на практике конусный подход к быстрому зажиганию термоядерной реакции похоронен, это ещё не повод для пессимизма. «В истории исследований термоядерного синтеза два шага вперёд и один шаг назад — обычная ситуация, — комментирует г-н Орбан. — Но иногда шагом вперёд может стать не только поиск следующей прорывной идеи, но и отрицательный результат, понимание того, что тот или иной подход не работает».

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review E.

Подготовлено по материалам Ohio Supercomputer Center.