«Бог не бросает кости», — утверждал Эйнштейн, возражая против ставшей общепринятой копенгагенской (вероятностной) трактовки принципов квантовой механики. Мало кто задумывается, что наше Солнце и другие звёзды светятся именно благодаря законам квантового мира, которые так тревожили и раздражали Эйнштейна. Теперь же исследователи из Китая применили эти законы и разработали способ относительно недорого запустить термоядерный синтез в земных лабораториях, не воспроизводя экстремальные условия звёздных недр.
Источник изображения: Jin-Tao Qi
Чтобы инициировать самоподдерживающуюся реакцию синтеза в земном реакторе, необходимо заставить ионизированные атомы топлива (водорода) преодолеть силы электростатического отталкивания и объединиться в атом гелия. Обычно считается, что в недрах Солнца этому способствуют чудовищное давление и температура около 15 миллионов градусов Цельсия. В действительности, даже этих условий внутри звезды недостаточно для поддержания непрерывной термоядерной реакции (а уж в камерах земных экспериментальных установок — и подавно).
Протоны преодолевают электростатический барьер не за счёт «выпрыгивания» из энергетических потенциальных ям, а благодаря квантовому туннелированию сквозь них. Этот процесс подчиняется вероятностным законам квантовой механики. В масштабах звезды реакция идёт непрерывно просто потому, что количество ядер водорода там колоссально — даже с учётом случайной природы туннелирования, частиц для слияния всегда достаточно.
Китайские учёные предложили неожиданный подход: вместо того чтобы стремиться сообщить плазме в реакторе максимум энергии, они решили увеличить саму вероятность туннельного эффекта для ядер водородного топлива. Если частицы в любом случае не покидают свои потенциальные ямы классическим путём, зачем расходовать излишнюю энергию? Так появилось теоретическое исследование, подготовленное тремя китайскими физиками: Цзиньтао Ци (Jintao Qi) из Шэньчжэньского технологического университета (Shenzhen Technology University), профессором Чжаоянь Чжоу (Zhaoyan Zhou) из Национального университета оборонных технологий (National University of Defense Technology) и профессором Сюем Ваном (Xu Wang) из Высшей школы Китайской академии инженерной физики (Graduate School of China Academy of Engineering Physics).
Исследование базируется на моделировании взаимодействия двух ядер водородного топлива: дейтерия и трития. В дальнейшем учёные намерены изучить свою концепцию с учётом большего количества ядер и их коллективных эффектов. Суть предложения состоит в том, чтобы дополнить стандартный нагрев топливной плазмы в реакторе дополнительным процессом, повышающим вероятность преодоления ядрами кулоновского барьера путём туннелирования без значительных энергозатрат. Такой «вспомогательный» метод мог бы сократить общую энергию, необходимую для инициации термоядерных реакций в установках, и ускорить создание коммерческих термоядерных электростанций.
Обычно для передачи энергии плазме рассматривались высокочастотные лазеры (такие как рентгеновские лазеры на свободных электронах) — они вводят в плазму частицы с чрезвычайно высокой энергией. Новое исследование продемонстрировало, что низкочастотные лазеры (включая ближний инфракрасный диапазон) оказываются более результативными для увеличения вероятности синтеза при равных или сравнимых затратах энергии. Это объясняется тем, что низкочастотное поле даёт ядрам возможность при сближении многократно поглощать и излучать фотоны — активнее взаимодействовать с электромагнитным полем накачивающих лазеров, что расширяет спектр энергий столкновений и, как следствие, повышает шансы квантового туннелирования сквозь кулоновский барьер.
В качестве иллюстрации авторы приводят такие расчёты: при энергии столкновения 1 кэВ без поддержки лазера вероятность реакции между дейтерием и тритием ничтожно мала. Однако при облучении топлива низкочастотным лазерным полем с энергией фотона 1,55 эВ и интенсивностью 10²⁰ Вт/см² вероятность синтеза увеличивается в тысячу раз. Повышение интенсивности до 5×10²¹ Вт/см² приводит к росту вероятности синтеза на девять порядков (в миллиард раз!) по сравнению с обычными условиями. Это поразительная перспектива, которая ранее либо не изучалась, либо считалась непрактичной.
Хотя работа пока носит теоретический характер, она закладывает общую основу для анализа реакций синтеза, поддерживаемых лазерными полями разной частоты и интенсивности, и указывает на возможность смягчения жёстких температурных требований в управляемом термоядерном синтезе. В перспективе авторы планируют развить теорию для более реалистичных плазменных сред, учитывающих коллективные эффекты и взаимодействие лазера с плазмой, что крайне важно для оценки практической осуществимости предложенных механизмов в лабораторных условиях.
