В Китаї придумали, як обманути Всесвіт і за невелику ціну запалити «штучне сонце» на Землі

«Бог не грає в кості», — говорив Ейнштейн, критикуючи класичну копенгагенську (ймовірнісну) інтерпретацію сучасної квантової механіки. Багато хто не здогадуються, але наше Сонце і зірки горять завдяки законам квантового світу, які лякали і обурювали Ейнштейна. Сьогодні вчені з Китаю скористалися цими законами і придумали, як недорого запустити термоядерну реакцію в земних умовах, не відтворюючи середу всередині зірок.

Джерело зображення: Jin-Tao Qi

Для досягнення самопідтримуваної термоядерної реакції всередині реактора на Землі необхідно змусити іонізовані атоми пального (водню) подолати кулонівське відштовхування і злитись, синтезуючи атом гелію. Зазвичай говорять, що в Сонці цьому сприяє колосальний тиск і досить висока температура на рівні 15 млн °C. Насправді фізичних умов всередині зірки недостатньо для самопідтримуваної реакції термоядерного синтезу (і вже тим більше їх недостатньо в камерах термоядерних реакторів на Землі).

Ядра водню долають кулонівський бар'єр, тунелюючи з енергетичних ям, а не вискакуючи з них. Тунелювання відбувається за законами квантової механіки з чималою часткою ймовірності таких подій. В масштабах зірки це забезпечує термоядерну реакцію і безперервне горіння просто тому, що ядер водню там дуже і дуже багато — там є чому зливатися навіть з урахуванням ймовірнісних властивостей цього процесу.

Китайські фізики підійшли з несподіваного боку — вони запропонували не намагатися до межі накачувати енергією плазму в реакторі, а підвищити ймовірність тунельного ефекту для ядер водневого пального. Якщо ядра все одно не вискакують зі своїх енергетичних ям, то навіщо нам витрачатися на зайву енергію? Так з'явилася теоретична робота за авторством трьох китайських учених: Цзиньтао Ці (Jintao Qi) з Технологічного університету Шеньчжень (Shenzhen Technology University), професора Чжаоянь Чжоу (Zhaoyan Zhou) з Національного університету оборонних технологій (National University of Defense Technology) і професора Сюя Вана (Xu Wang) з Вищої школи Китайської академії інженерної фізики (Graduate School of China Academy of Engineering Physics).

Робота проведена на основі розрахунків поведінки двох ядер водневого пального: дейтерію і тритію. У майбутньому дослідники проаналізують свою пропозицію з урахуванням безлічі ядер і їх взаємного впливу. Ідея полягає в тому, щоб доповнити класичний нагрів паливної плазми в реакторі якимось процесом, який підвищував би ймовірність тунелювання ядер пального через кулонівський бар'єр без особливих енергетичних витрат. Такий «костиль» міг би допомогти знизити загальні енергозатрати на запуск термоядерних реакцій у реакторах і наблизити появу комерційних термоядерних електростанцій.

Традиційно для накачки плазми енергією розглядалися високочастотні лазери (наприклад, рентгенівські на вільних електронах) — вони направляють у плазму частинки з вкрай високою енергією. Новий аналіз показав, що низькочастотні лазери (включаючи ближній інфрачервоний діапазон) виявляються більш ефективними для підвищення ймовірності синтезу при однакових або порівнянних енергетичних витратах. Це пов'язано з тим, що низькочастотне поле дозволяє ядрам під час зближення багаторазово поглинати і випромінювати фотони — інтенсивніше взаємодіяти з електромагнітним полем лазерів накачки, розширюючи розподіл енергії зіткнень і тим самим збільшуючи шанси квантового тунелювання через кулонівський бар'єр.

В якості числового прикладу автори наводять такі оцінки: при енергії зіткнення 1 кеВ (кілоелектронвольт) без допоміжного лазера ймовірність реакції дейтерій-тритій вкрай мала. Однак при опроміненні пального полем низькочастотного лазера з енергією 1,55 еВ і інтенсивністю 10²⁰ Вт/см² ймовірність синтезу зростає на три порядки величини — в 1000 разів. Збільшення інтенсивності до 5×10²¹ Вт/см² забезпечує ріст ймовірності синтезу на дев'ять порядків величини (в мільярд разів!) у порівнянні з звичайними умовами. Це неймовірна можливість, яка раніше або не розглядалася, або вважалася нежиттєздатною.

Хоча робота є поки теоретичною, вона створює загальну основу для аналізу реакцій синтезу з підтримкою лазерних полів на різних частотах і інтенсивностях і вказує на можливість пом'якшення суворих умов за температурою в керованому синтезі. У майбутньому автори планують розширити теорію на більш реалістичні плазмові середовища з колективними ефектами і взаємодіями лазера з плазмою, що критично для оцінки практичної здійсненності описаних в лабораторних умовах механізмів.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки