Ударний синтез пропонує переводити алмази в енергію

У спробі осідлати термояд вчені активно розвивають два магістральні напрями і продовжують сперечатися, яка з них перспективніше. Але не виключено, що найкращим рішенням виявиться порівняно нова схема, свого роду бічне відгалуження від двох второваною шляхів. Виявляється, для запуску жадані реакції можна використовувати стрілянину алмазами.

Одним з найбільш екзотичних методів керованого термоядерного синтезу - «ударним» (Impact Fusion) - кілька років займається група дослідників з Пекінського університету ( Peking University ) І його лабораторії ядерної фізики і технології ( State Key Laboratory of Nuclear Physics and Technology ).

За останню пару років китайські фахівці випустили кілька робіт по цій темі: статтю, розміщену на сайті МАГАТЕ ( PDF-документ ), Матеріал, вийшов в журналі Nuclear Fusion, і результат свіжого чисельного моделювання, викладений в Мережу університетом. Всі ці дослідження велися на кінчику пера, проте в майбутньому, можливо, вони виллються в якісь натурні експерименти.

Нові розрахунки роблять «ударний синтез» кілька більш реальним. Якщо раніше фізики вивчали можливість використання в даній схемі легкогазових і рейкових гармат (висновок - вони занадто слабкі), то китайці повідомляють: єдиний доступний спосіб отримання бажаних параметрів - багатоступінчастий електростатичний лінійний прискорювач.

Автори дослідження пишуть, що пилові частинки вагою 10-10 грама вченим вже вдавалося розганяти до 100 км / с - за допомогою електростатичних прискорювачів, що живляться генератором Ван де Грааф ( Van de Graaff generator ).

А ще в цьому зв'язку можна згадати, як за рахунок надсильних полів фізики отримали прискорення твердого макроскопічного тіла в 10 мільярдів g , Правда, на дуже короткому відрізку шляху.

Прискорювачі часток (на знімку), що живляться генераторами Ван де Грааф, відомі вже десятки років. Однак побудувати багатокілометровий аналог, здатний працювати не з пучками, а з міліметровими кристаликами алмаза, - завдання непросте (фото David Monniaux).

Звідси до трьох міліграмів і 1000 км / с - чимала дистанція. Але, орієнтуючись на досвід зведення найбільших прискорювачів, можна сказати, що створити «пушку» для Макрона - все ж реально. У довжину вона налічуватиме від 100 кілометрів до всього 4 км в залежності від того, яку напруженість поля зможуть забезпечити інженери в установці.

Алмаз в ролі ударника обраний через важливого поєднання властивостей. Він має високу міцність, але в той же час помірної щільністю, що добре для обраного методу прискорення. До того ж у алмазу - як іонізованої частинки - низькі втрати на гальмівне випромінювання .

Потужність реакції синтезу (вгорі, шкала по вертикалі - петаватт) і щільність дейтерію і тритію (внизу, 1024 частинок на см3) після удару снаряда по мішені при швидкості зіткнення в 800 (суцільна крива) і 830 (пунктир) кілометрів на секунду. На всіх графіках по горизонталі - час в наносекундах (ілюстрація YA Lei, J. Liu, ZX Wang).

Фізики розглядають міліметровий алмаз як аналог пучка іонів. І хоча енергія кожного окремого атома в такому випадку виявляється дуже далека від рекордної, щільність «пучка» буде в мільярди разів вище, ніж щільність іонних пучків в традиційних прискорювачах частинок. Саме це, поряд з високою швидкістю, за розрахунками фізиків і має забезпечити початок термоядерного синтезу в точці удару алмазного снаряда і метанової мішені.

Вчені вважають, що, незважаючи на труднощі з будівництвом великого прискорювача алмазів, нова схема виявиться простіше і дешевше колишніх варіантів, адже інші частини комплексу істотно спрощуються. Досить сказати, що тут не потрібні ні надпотужні лазери, ні багатотонні надпровідні магніти, як в конкуруючих схемах.

Вгорі: розподіл потужності, що виділяється в ході реакції, по електронам і іонам (петаватт). Внизу: розподіл температури частинок (кілоелектронвольт). На всіх графіках по горизонталі - час в наносекундах (ілюстрація YA Lei, J. Liu, ZX Wang).

Фізики розглянули як енергія, що виділяється в ході синтезу, розподіляється по нейтронам, електронам і іонам, зазначивши, що її можна використовувати не тільки для вироблення електрики. Так, нейтрони, на які доведеться левова частка енергії, можна задіяти для бридинга ядерного палива. Благо простір в камері реакції нічим не зайнято, і там можна розмістити блоки з речовиною, що ділиться.

У чисельному моделюванні зіткнення снаряда і мішені, а також подальших процесів вчені обмежилися першими 50 наносекундами (тут важливо було переконатися, що реакція запущена). Але навіть за цей час, схоже, мета видасть в рази більше енергії, ніж було витрачено не тільки на розгін снаряда, але навіть на отримання цього кристала.

Правда, в такій системі все ще не ясним залишається загальний ККД: питання утилізації енергії мікровзривов докладно не розглядався. Але в разі ефективної роботи системи навіть синтетичні алмази можуть виявитися недорогим «витратним матеріалом».