Физики разработали метод проведения реакций ядерного синтеза с использованием плотных массивов нанопроводов и фемтосекундных лазерных импульсов с энергией в несколько джоулей. С помощью плазмы высокой плотности, которая образуется при облучении нанопроводов из дейтерированного полиэтилена, удалось добиться рекордной эффективности ядерной реакции, инициируемой лазерами небольшой мощности, пишут ученые в Nature Communications.

Для реакций ядерного синтеза, при которых несколько легких ядер взаимодействуют друг с другом с образованием более тяжелых ядер, обычно используется топливо на основе изотопов водорода — дейтерия и трития, слияние которых приводит, например, к образованию ядер гелия, элементарных частиц и выделению энергии. Для осуществления этих реакций, как правило, используются огромные установки для сферического сжатия плазмы и генерации сверхмощных коротких лазерных импульсов с энергией более мегаджоуля. Эффективность такого подхода можно оценить, например, по количеству образовавшихся в результате ядерной реакции нейтронов в пересчете на один джоуль лазерного импульса. В традиционных установках это количество составляет от десяти тысяч до полумиллиона нейтронов.

Физики из США и Германии под руководством Хорхе Рокки (Jorge J. Rocca) из Университета штата Колорадо предложили для проведения реакций ядерного синтеза использовать значительно более компактную установку, в которой плазма образуется при облучении небольшим лазером поверхности, на которую нанесен массив плотноупакованных нанопроводов.

Каждый из нанопроводов диаметром от 200 до 400 нанометров и длиной 5 микрометров состоит из дейтерированного полиэтилена и служит источником топлива для реакции. При облучении фемтосекундными лазерными импульсами эта наноструктурированная поверхность становится источником ионов, содержащих углерод, водород и дейтерий, в том числе дейтроны — ядра изотопа водорода ²H, состоящие из одного протона и одного нейтрона. При достаточной мощности импульсов в области вокруг нанопроводов образуется плазма высокой плотности, в которой вылетающие дейтроны реагируют друг с другом с образованием ядер гелия-3 и нейтронов (D + D → ³He + n).

Изображение массива дейтерированных нанопроводов, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (слева), и результаты компьютерного моделирования такой системы при облучении ее фемтосекундными лазерными импульсами. A. Curtis et al./ Nature Communications, 2018

Результаты компьютерного моделирования системы дейтерированных нанопроводов при облучении ее фемтосекундными лазерными импульсами: слева — через 60 фемтосекунд после начала импульса, справа — через 140 фемтосекунд. Цветом обозначена энергия вылетающих дейтронов в мегаэлектронвольтах. A. Curtis et al./ Nature Communications, 2018

В проведенном учеными эксперименте массив дейтерированных полиэтиленовых проводов облучался лазерными импульсами длительностью 60 фемтосекунд, длиной волны 400 нанометров и энергией до 1,65 джоуля. Эти импульсы приводили к выбиванию ионов со средней энергией порядка 0,6 мегаэлектронвольта. Максимальная энергия дейтронов составила 3 мегаэлектронвольта, что значительно больше энергии дейтронов при использовании твердых источников.

Измеренные траектории ионов, вылетающих из плоского источника дейтронов диаметром 400 нанометров. Буквами обозначены типы ионов, цифрами — энергия дейтронов на различных участках траектории. A. Curtis et al./ Nature Communications, 2018

Измеренные траектории ионов, вылетающих из нанопровода диаметром 400 нанометров и длиной 5 микромтеров. Буквами обозначены типы ионов, цифрами — энергия дейтронов на различных участках траектории. A. Curtis et al./ Nature Communications, 2018

Анализ результатов эксперимента показал, что при использовании разработанной учеными схемы каждый джоуль лазерного облучения приводит к образованию 2 миллионов нейтронов. Это рекордное значение для лазеров с энергией порядка нескольких джоулей и примерно в 500 раз больше, чем при использовании в качестве источников дейтерия твердых плоских поверхностей.

Результаты эксперимента также были подтверждены компьютерным моделированием, которое к тому же показало, что при увеличении мощности лазера также будет увеличиваться и количество образовавшихся нейтронов и эффективность метода не будет сильно падать. По словам ученых, полученные ими результаты могут помочь при разработке компактных источников нейтронов с контролируемой энергией, которые можно использовать, например, для исследования физических свойств материалов.

Отметим, что условий, необходимых для проведения реакций термоядерного синтеза можно добиться и в довольно миниатюрных реакторах, разработке которых посвящены как крупные исследовательские программы, такие и частные стартапы. Так, британские физики с помощью небольшой установки OMEGA показали перспективность прямого сжатия плазмы с помощью точной фокусировки небольшого числа лазеров. А подробнее о реакторах, разрабатываемых частными компаниями, можно прочитать в нашем материале.

Александр Дубов