Вот уже более семи десятилетий исследователи термоядерного синтеза пытаются построить звезду в коробке, и вот уже более семи десятилетий звезда отказывается сотрудничать. Теперь ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США утверждают, что нашли потенциально гораздо более эффективный способ достижения термоядерного зажигания — просто изменив порядок, в котором плазма нагревается и сжимается. Что с точки зрения физики равносильно открытию, что вы все это время собирали мебель из IKEA не в той последовательности.

Давним математическим сводом правил здесь является критерий Лоусона, который определяет, может ли плазма оставаться достаточно горячей и плотной достаточно долго, чтобы поддерживать синтез без внешнего нагрева. Он говорит вам, какие условия требуются для зажигания. Он, однако, не говорит вам, как наиболее эффективно к ним прийти — примерно как карта, которая показывает пункт назначения, но настаивает, чтобы вы сами разобрались с горным хребтом.

Физики PPPL Луис Дельгадо-Апарисио, Масаюки Оно и Джонатан Менард разработали теперь более всеобъемлющую версию критерия, включив в нее четыре дополнительных фактора, влияющих на эффективность синтеза. Их результаты опубликованы в Physical Review Letters. Четыре дополнительных фактора в анонсе не уточняются — предположительно потому, что это те детали, ради которых нужно читать саму статью.

Исследование сосредоточено на плазме, четвертом состоянии вещества, которое образуется, когда газ становится настолько энергичным, что его частицы несут электрические заряды. В термоядерных реакторах этот чрезвычайно горячий материал содержит атомные ядра, которые исследователи надеются объединить, высвобождая энергию посредством ядерного синтеза. Конечная цель — горящая плазма, в которой реакции синтеза генерируют достаточно тепла, чтобы поддерживать процесс без постоянного внешнего нагрева. Эффективное достижение этого остается одной из важнейших задач исследований термоядерной энергии, наряду с необходимостью помнить, куда вы положили шестигранный ключ.

Дельгадо-Апарисио сравнивает открытие с поиском более эффективного маршрута через горный хребет. Представьте себе энергетические требования для термоядерного зажигания как ландшафт, в котором доминирует возвышающаяся гора. Пункт назначения — на другой стороне, но есть несколько возможных маршрутов. Многие предлагаемые стратегии по сути пытаются взобраться прямо на гору — сначала увеличивая плотность плазмы, затем подавая огромное количество тепла для достижения зажигания. Новые расчеты показывают, что нагрев плазмы до придания ей большей плотности может быть значительно эффективнее, позволяя избежать самых высоких энергетических требований и все же достичь желаемых условий.

«Многие компании хотят взобраться на гору в лоб и потратить огромную энергию, чтобы туда попасть, — сказал Дельгадо-Апарисио. — Обойдите вершину. Вы доберетесь до того же места гораздо умнее и потратите гораздо меньше энергии». Чувство, знакомое каждому, кто когда-либо наблюдал, как GPS пересчитывает маршрут в реальном времени.

Исследователи определили особенно важную область этого математического ландшафта, называемую седлом Кордея. В географических терминах седло — это низкий проход между более высокими elevations. В физике плазмы оно представляет собой относительно доступную точку на границе, разделяющей плазму, которой все еще нужен внешний нагрев, и плазму, способную поддерживать собственные реакции синтеза, — термоядерный эквивалент горного перевала, не требующего кислородных баллонов.

Чтобы оценить различные маршруты, ученые использовали измерение, называемое Q, которое сравнивает мощность, производимую реакциями синтеза, с внешней мощностью нагрева, подаваемой в плазму. Значение Q = 5 означает, что реакции синтеза производят в пять раз больше мощности, чем подает система внешнего нагрева. В идеализированной плазме, содержащей только чистое термоядерное топливо, седло Кордея возникает примерно при Q = 5. Однако реальные термоядерные системы гораздо сложнее. Загрязнения внутри плазмы и чрезвычайно сильные магнитные поля могут смещать положение этого прохода, увеличивая значение Q, необходимое для его достижения. Un