энергия термоядерного синтеза

После ядерного взрыва в атмосферу поднимается огромное количество сажи — микроскопических частиц углерода, которые оседают в стратосфере, на высоте более 10 километров, и остаются там годами. Эта сажа действует как плотная штора: она частично задерживает солнечные лучи и изменяет химический состав атмосферы.

Внутри солнечной вспышки магнитные линии рвутся, как натянутые резиновые жгуты, и перехлёстываются заново — за минуты высвобождая энергию, которой хватило бы человечеству на миллионы лет. В лаборатории этот процесс, магнитное пересоединение, долго умели лишь запускать, но не останавливать. Теперь у физиков появился рубильник.

Радиоизотопные источники энергии, работающие на альфа-распаде плутония-238, уже более шестидесяти лет питают кардиостимуляторы и космические аппараты. Однако сырья для них критически мало: мировое производство плутония-238 составляет лишь несколько килограммов в год, что едва покрывает потребности ключевых миссий.

В 21-километровом кольце подмосковного Протвино когда-то планировали разгонять протоны. Сегодня та же труба могла бы принять совсем другую машину — мюонный коллайдер. Мюон — тяжёлый родственник электрона, и в этом его сила. Электрон на вираже кольца излучает как прожектор, теряя драгоценную энергию. Мюон излучает в миллиард раз слабее.

Столкновение двух нейтронных звёзд — это космическая лаборатория, где вещество сжато до немыслимых плотностей. В первые мгновения после слияния рождается горячее облако, которое остывает, испуская нейтрино. Эти частицы-невидимки уносят энергию и диктуют, сколько вещества будет выброшено в космос и какие тяжёлые элементы синтезируются.

В кастрюле кипит вода: пузыри бурлят, тепло быстро уходит в воздух. В центре термоядерного реактора ARC плазма ведёт себя похоже — только вместо пузырей там турбулентные вихри, а вместо воздуха — магнитное поле, которое должно удерживать жар. Вихри мешают: они переносят тепло наружу и охлаждают плазму. Но внутри плазмы рождаются быстрые альфа-частицы (ядра гелия, вылетающие из реакции синтеза).

Представьте сильно перекрученный телефонный шнур: в какой-то момент он лопается, разбрасывая искры. Похожим образом ведут себя магнитные поля на Солнце — они скручиваются, разрываются и пересоединяются, высвобождая энергию, которая питает солнечные вспышки. Астрономам впервые удалось наблюдать этот процесс напрямую.

В 2017 году детекторы уловили дрожь пространства — гравитационные волны от слияния двух нейтронных звёзд. Телескопы тут же нашли вспышку света: космический взрыв, который астрономы назвали килоновой. В этом огненном котле, как выяснилось, рождаются самые тяжёлые элементы таблицы Менделеева — золото, платина, уран.

Две нейтронные звезды — остатки погибших светил, сжатые до размеров города, но весом с целое Солнце — кружатся друг вокруг друга и в конце концов сталкиваются. В этот миг рождается нечто среднее между чёрной дырой и сверхмощным магнитом: поле в миллиарды раз сильнее, чем в самом мощном магнитно-резонансном томографе.

Обычный источник фотонов можно представить как вход в клуб с одним вышибалой. Он старается пропускать посетителей поодиночке, но иногда «парочки» просачиваются. В квантовой оптике это называют проблемой чистоты: фотоны должны излучаться строго по одному, иначе в квантовых вычислениях возникают ошибки.

В декабре 2011 года комета Лавджоя совершила дерзкий манёвр — пронеслась сквозь раскалённую корону Солнца. Сразу после этого была зафиксирована вспышка. Учёные проверили гипотезу: могла ли комета спровоцировать этот выброс? Атмосфера Солнца пронизана тугими магнитными петлями — их можно представить как натянутую тетиву лука.

Кастрюля с кипящим супом бурлит, и хочется узнать, насколько горячи отдельные капли внутри. Но термометр можно окунуть только с краю, где уже не так бурно. Примерно так же обстоят дела с лазерным термоядерным синтезом: мощный лазерный импульс бьёт в мишень, рождая облако быстрых протонов.

Если сжать горсть песка в кулаке, он сначала уплотнится, но потом начнёт сопротивляться — крупинкам уже некуда деваться. В недрах нейтронной звезды происходит нечто похожее, только вместо песчинок — элементарные частицы, а вместо руки — чудовищная гравитация.

Термоядерный синтез — слияние протона и ядра бора-11 — сулит почти идеальный источник энергии: без потока опасных нейтронов, лишь поток заряженных частиц, который можно напрямую преобразовать в электрический ток. Но здесь встаёт фундаментальная проблема кулоновского барьера.

Космическая плазма — не спокойный газ, а кипящий суп из заряженных частиц, пронизанный магнитными полями. Эти поля ведут себя как натянутые резинки: иногда они рвутся и тут же снова соединяются, но уже по-другому. Этот процесс, который называют магнитным пересоединением, высвобождает огромную энергию.

В недрах массивной звезды два ядра углерода сталкиваются и слипаются в одно ядро магния. От этого процесса зависит, как быстро звезда сжигает своё топливо и какие химические элементы она успевает создать. Но точно рассчитать такое слияние на бумаге оказалось невероятно трудно: ядра — не бильярдные шары, а квантовые системы, которые могут перестраиваться множеством способов.

Внутри будущего термоядерного реактора будет парить магнит весом с небольшой автомобиль. Он удерживает раскалённую плазму, как невидимая рука держит облако. Раньше такой магнит считался непригодным для топлива из дейтерия и трития: потоки нейтронов быстро разрушали его. Теперь инженеры придумали, как защитить магнит и заменить повреждённую часть.

Солнечный свет — это бурный поток, несущий неразлучные пары капель. Так выглядит квантовая запутанность — явление, при котором две частицы настолько связаны, что колебание одной мгновенно отзывается в другой, даже на большом расстоянии. Раньше для создания таких пар требовалась «спокойная заводь» — идеально выверенный лазерный луч.

В центре нейтронной звезды вещество сжато так сильно, что протоны и нейтроны превращаются в более тяжёлые частицы — гипероны. Эти частицы похожи на нейтроны, но содержат странный кварк. Долгое время физики не могли понять, как звезда с гиперонами внутри может быть такой тяжёлой, как показывают наблюдения.

Свет от обычной лампочки — это поток одиночных фотонов, как капли из крана. Но бывает свет, где фотоны идут парами, словно шагающие вместе близнецы. Такой сгруппированный свет давно хотели использовать для измерения расстояний и съёмки объектов, скрытых за углом. Но источники этого света были либо слишком тусклыми, либо их вспышки слишком короткими, чтобы обычные детекторы успевали их заметить.

Свет от обычной лампы — это хаос: фотоны разлетаются кто куда, без всякого порядка. Но если заставить множество атомов испускать свет одновременно и в такт, получается короткая мощная вспышка — как аплодисменты, которые из отдельных хлопков складываются в единый залп. Такое согласованное излучение называют сверхизлучением.

Зажечь миниатюрное солнце — давняя мечта человечества. Обычно учёные пытаются удержать раскалённую плазму (газ из заряженных частиц) при температурах в сотни миллионов градусов. Но плазма норовит вырваться из магнитных ловушек, и удержание стоит огромных затрат.