В попытке оседлать термояд учёные активно развивают два магистральных направления и продолжают спорить, какое из них перспективнее. Но не исключено, что лучшим решением окажется сравнительно новая схема, своего рода боковое ответвление от двух проторённых путей. Оказывается, для запуска вожделённой реакции можно использовать стрельбу алмазами.

За последнюю пару лет китайские специалисты выпустили несколько работ по этой теме: статью, размещённую на сайте МАГАТЭ (PDF-документ), материал, вышедший в журнале Nuclear Fusion, и результат свежего численного моделирования, выложенный в cеть университетом. Все эти исследования велись на кончике пера, однако в будущем, возможно, они выльются в какие-то натурные эксперименты.

Первое направление в управляемом синтезе: системы с относительно длительным удержанием и разогревом плазмы. Это различного вида стеллараторы, токамаки (на рисунке – самый масштабный проект такого рода – ITER) и экзотический левитирующий диполь.

Рис. 1. Главная установка токамака ITER.

Второе: импульсные системы, в которых задача удержания топлива возложена на силы инерции. В таких устройствах предполагается генерировать серию микроскопических термоядерных взрывов. Самый яркий пример – американская установка со 192 мощными лазерами для кругового обстрела мишени. Менее известны проекты с ионным обстрелом.

Идея китайцев, на первый взгляд, проста. Нужно разогнать «пулю» или «снаряд» в виде миллиметрового алмаза до скорости порядка тысячи километров в секунду и направить его на сантиметровую мишень, состоящую из замороженного кристаллического метана, но не простого, а дейтерий-тритиевого (CD2T2). Энергия удара должна довести вещество в мишени до давления и температуры, достаточных для зажигания термоядерного синтеза, — гласит основной вывод физиков.

Рис. 2. Схема предложеннго эксперимента.

Дейтерий-тритиевый метан, да ещё в виде льда, учёные выбрали потому, что он обладает высокой концентрацией дейтерия и трития, а также хорошо останавливает альфа-частицы (рождающиеся в ходе синтеза), что вместе снижает жёсткие требования к параметрам, при которых инициируется и поддерживается реакция.

Миллиметровая (цилиндрик или кубик) алмазная «пуля» (авторы технологии называют такую частицу «макрон» — macron) весит порядка 3,5 миллиграмма. При скорости 830 км/с она будет обладать кинетической энергией 0,95–1,2 мегаджоуля (зависит от формы снаряда и, следовательно, точного значения его массы). Это не так уж много, чтобы подумать о практическом способе реализации проекта.

Поясним, ещё в конце 1970-х исследователи обсуждали похожую схему синтеза, но предполагали, что для «зажигания» термоядерной реакции потребуется кинетическая энергия до 50 мегаджоулей (сконцентрированная в малом объёме), что приводило к необходимости разгона до сотен километров в секунду снаряда весом порядка одного грамма. У экспериментаторов не было и до сих пор нет устройств, способных обеспечить такому объекту столь высокую скорость.

Рис. 3. Дейтерий-тритиевый метан в кристаллическом виде предполагается получать при давлении около 10 тысяч атмосфер и температуре ниже 252 кельвинов, что является вполне достижимыми для современной техники параметрами (иллюстрация Ben Mills).

Новые расчёты делают «ударный синтез» несколько более реальным. Если раньше физики изучали возможность использования в данной схеме легкогазовых и рельсовых пушек (вывод — они слишком слабы), то китайцы сообщают: единственный доступный способ получения желаемых параметров — многоступенчатый электростатический линейный ускоритель.

Авторы исследования пишут, что пылевые частицы весом 10^-10 грамма учёным уже удавалось разгонять до 100 км/с — при помощи электростатических ускорителей, питаемых генератором Ван де Граафа (Van de Graaff generator).

А ещё в этой связи можно вспомнить, как за счёт сверхсильных полей физики получили ускорение твёрдого макроскопического тела в 10 миллиардов g, правда, на очень коротком отрезке пути.

Рис. 4. Ускорители частиц (на снимке), питаемые генераторами Ван де Граафа, известны уже десятки лет. Однако построить многокилометровый аналог, способный работать не с пучками, а с миллиметровыми кристалликами алмаза, – задача непростая (фото David Monniaux).

Отсюда до трёх миллиграммов и 1000 км/с — немалая дистанция. Но, ориентируясь на опыт возведения крупнейших ускорителей, можно сказать, что создать «пушку» для макронов — всё же реально. В длину она будет насчитывать от 100 километров до всего 4 км в зависимости от того, какую напряжённость поля смогут обеспечить инженеры в установке.

Алмаз в роли ударника выбран из-за важного сочетания свойств. Он обладает высокой прочностью, но в то же время умеренной плотностью, что хорошо для выбранного метода ускорения. К тому же у алмаза — как ионизированной частицы — низкие потери на тормозное излучение.

Рис. 5. Мощность реакции синтеза (вверху, шкала по вертикали – петаватты) и плотность дейтерия и трития (внизу, 10²⁴ частиц на см³) после удара снаряда по мишени при скорости соударения в 800 (сплошная кривая) и 830 (пунктир) километров в секунду. На всех графиках по горизонтали – время в наносекундах (иллюстрация Y.A. Lei, J. Liu, Z.X. Wang).

Физики рассматривают миллиметровый алмаз как аналог пучка ионов. И хотя энергия каждого отдельного атома в таком случае оказывается очень далека от рекордной, плотность «пучка» будет в миллиарды раз выше, чем плотность ионных пучков в традиционных ускорителях частиц. Именно это, наряду с высокой скоростью, по расчётам физиков и должно обеспечить начало термоядерного синтеза в точке удара алмазного снаряда и метановой мишени.

Учёные полагают, что, несмотря на трудности с постройкой большого ускорителя алмазов, новая схема окажется проще и дешевле прежних вариантов, ведь остальные части комплекса существенно упрощаются. Достаточно сказать, что тут не нужны ни сверхмощные лазеры, ни многотонные сверхпроводящие магниты, как в соперничающих схемах.

Рис. 6. Вверху: распределение мощности, выделяющейся в ходе реакции, по электронам и ионам (петаватты). Внизу: распределение температуры частиц (килоэлектронвольты). На всех графиках по горизонтали – время в наносекундах (иллюстрация Y.A. Lei, J. Liu, Z.X. Wang).

Физики рассмотрели как энергия, выделяемая в ходе синтеза, распределяется по нейтронам, электронам и ионам, отметив, что её можно использовать не только для выработки электричества. Так, нейтроны, на которые придётся львиная доля энергии, можно задействовать для бридинга ядерного топлива. Благо пространство в камере реакции ничем не занято, и там можно разместить блоки с делящимся веществом.

В численном моделировании соударения снаряда и мишени, а также последующих процессов учёные ограничились первыми 50 наносекундами (тут важно было убедиться, что реакция запущена). Но даже за это время, похоже, мишень выдаст в разы больше энергии, чем было потрачено не только на разгон снаряда, но даже на получение этого кристалла.

Правда, в такой системе всё ещё не ясным остаётся общий КПД: вопрос утилизации энергии микровзрывов подробно не рассматривался. Но в случае эффективной работы системы даже синтетические алмазы могут оказаться недорогим «расходным материалом».

Статья подготовлена ** Филипповым Ю.П.** по материалам: