термоядерный реактор

Когда мощный лазерный импульс попадает в газовую среду, он ионизирует атомы — вырывает электроны, — и разгоняет их до релятивистских скоростей, близких к скорости света. Эти высокоэнергичные электроны, пролетая через плазму, испускают рентгеновское излучение, подобно светящемуся следу от быстрой частицы.

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.

Микроволновая плазма в вихревом потоке — это своего рода высокотемпературный миксер: газ закручивается в реакторе, а микроволновое излучение разогревает его до тысяч градусов, разрывая молекулы углекислого газа (CO₂) на составные части. Учёные построили компьютерную модель такого реактора, чтобы понять, как давление влияет на процесс расщепления.

Чтобы заглянуть глубже в устройство мира, физики разгоняют электроны и сталкивают их между собой. У обычного электрона есть собственный момент импульса — спин, который можно представить как ось вращения крошечного волчка. В обычном пучке эти оси направлены хаотично.

В далёкой галактике Сигара действует необычный маяк. Его излучение рождается не в привычном оптическом диапазоне, а в рентгеновском — внутри раскалённой короны вокруг чёрной дыры, поглощающей вещество звезды-компаньона.

Стелларатор — термоядерный реактор, напоминающий хитроумно скрученный магнитный кокон. Его задача — удержать раскалённую плазму, чтобы ядра водорода сливались и давали энергию. Но трёхмерная форма кокона создаёт щели: некоторые частицы вылетают наружу, особенно самые быстрые ионы, которые несут главный жар.

Гонка за термоядерной энергией напоминает попытку удержать молнию в бутылке. Десятилетиями физики бьются над тем, чтобы воссоздать на Земле процессы, питающие Солнце.

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.

Внутри термоядерного реактора бушует плазма — газ, раскалённый до миллионов градусов. Прямых окон туда нет, а камеры и датчики быстро выходят из строя. Инженеры видят лишь обрывки информации: несколько сенсоров в разных точках. Это похоже на попытку понять симфонию по звуку трёх микрофонов в огромном зале.

Столкновение двух нейтронных звёзд — это космическая кузница, где за секунды выковываются самые тяжёлые элементы таблицы Менделеева. В 2017 году детекторы уловили гравитационные волны от такого слияния, а телескопы увидели вспышку — килоновую.

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).

Электронные облака вокруг атомных ядер можно представить как пушистые шубы: они не дают ядрам сблизиться для слияния. Но замените лёгкий электрон на мюон — тяжёлый аналог электрона из стандартной модели элементарных частиц, — и картина меняется. Мюон формирует компактную «шубу», сжимая электронное облако почти в 200 раз.

Атомное ядро — это природная пружина колоссальной силы. Когда протоны и нейтроны внутри него перестраиваются, оно переходит в особое долгоживущее состояние — ядерный изомер (метастабильное состояние ядра с избыточной энергией). В нём запасена энергия, словно пружина сжата до предела.

Мощный фен, который дует не тёплым воздухом, а раскалённой добела плазмой, — такие установки называют плазменными аэродинамическими трубами. Они нужны, чтобы на Земле проверить, как космический корабль войдёт в атмосферу. Внутри трубы газ разогревается до тысяч градусов, и часть энергии уходит не с потоком газа и не в стенки, а просто улетает в виде света — как от лампочки.

Перед сборкой огромного пазла нужно наштамповать детали — иначе картинка не сложится. В квантовых компьютерах на основе слияния роль таких деталей играют крошечные сгустки света — фотонные ресурсные состояния. Их сталкивают и измеряют, чтобы постепенно вырастить вычислительную ткань.

Качели раскачиваются, только если толкать их в такт. Чуть собьёшься с ритма — и усилия пропадают даром. Примерно так же свет взаимодействует с атомным ядром: обычно фотон поглощается, лишь когда его энергия точно совпадает с разницей между ядерными уровнями. Но что делать, если энергия фотона не подходит? Авторы новой работы нашли обходной путь.

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.

Магнитная ловушка в форме бублика удерживает плазму из бора и водорода. Внутри неё температура поднимается выше ста миллионов градусов — жарче, чем в центре Солнца. При такой жаре ядра сталкиваются и сливаются, выделяя энергию.

Кусок металла, нагретый с одного конца, даёт слабый электрический ток — это известно почти двести лет. Но что, если вместо простого металла взять слоёный «бутерброд»: сверхпроводник, тонкий изолятор и плоский слой электронов? Через такой переход электроны просачиваются квантовым туннелированием, как вода сквозь пористую стенку, и при этом переносят тепло.

Обычный ядерный реактор похож на котёл, где топливо сгорает равномерно по всему объёму. Здесь другая картина: по цилиндрическому стержню из карбида урана медленно ползёт волна деления — узкая зона, где атомы расщепляются и выделяют тепло. Впереди волны топливо ещё не тронуто, позади — уже отработало. Так огонь бежит по фитилю свечи, оставляя за собой воск.

Горячая плазма в токамаке похожа на капризного зверя: её нужно удержать, но при этом не дать перегреться. В реакторе ASDEX Upgrade нашли режим, где вихри плазмы сами решают эту задачу. Численное моделирование показало, что колебания на границе плазмы выбрасывают наружу сгустки — как пузыри из кипящей кастрюли.

Каждый раз, когда дейтерий и тритий сливаются в термоядерном реакторе, вылетает быстрый нейтрон. Он может превращать одни вещества в другие — например, создавать ценные изотопы для медицины. Сегодня такие нейтроны стоят баснословно дорого, потому что экспериментальных установок мало и работают они редко.

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.

Лазер бьёт по мишени — и в камеру вылетает облако плазмы, разогнанное до сотен километров в секунду. Вокруг не пустота: камера заполнена разреженным газом, который играет роль космической среды. Плазма врезается в этот газ, как скоростной катер в стоячую воду, и начинает расталкивать его перед собой.

Внутри каждой клетки постоянно идут химические реакции — как на крошечной кухне, где белки-повара готовят нужные вещества. Но увидеть, как именно повар готовит блюдо, мешает толпа других молекул вокруг.

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.

Чтобы два атомных ядра слились, необходимо преодолеть их яростное электрическое отталкивание — кулоновский барьер, словно свести двух разъярённых быков. В обычных условиях помогает лишь чудовищная энергия, как в звёздных ядрах, где ещё в 1930-х годах Ганс Бете объяснил механизм термоядерного синтеза.

В недрах звёзд лёгкие ядра сливаются, рождая гелий и потоки нейтронов. На Земле этот процесс воспроизводят, соединяя дейтерий и тритий — особые изотопы водорода, содержащие один и два нейтрона соответственно.

Атомы, подобно стайке светлячков, синхронизирующих свои вспышки, способны излучать свет в унисон. Это явление, называемое сверхизлучением, приводит к тому, что интенсивность света растёт нелинейно: сто атомов, излучающих когерентно, дают в десять тысяч раз более яркое свечение, чем один.