В Китай измислиха как да измамят Вселената и да запалят евтино „изкуствено слънце“ на Земята

Много хора не знаят, но нашето слънце и звезди горят благодарение на законите на квантовия свят, които плашеха и гневяха великия Алберт Айнщайн. Днес учени от Китай са се възползвали от тези закони и са разбрали как евтино да проведат термоядрена реакция в земни условия, без да пресъздават средата вътре в звездите.

За да се постигне самоподдържаща се термоядрена реакция в реактор на Земята, йонизираните атоми на горивото (водород) трябва да бъдат принудени да преодолеят кулоновото отблъскване и да се слеят, синтезирайки хелиев атом. Обикновено се казва, че в Слънцето това се улеснява от огромното налягане и доста невероятната температура от 15 000 000°C. Всъщност физическите условия в звездата не са достатъчни за самоподдържаща се термоядрена реакция (и още по-малко са достатъчни в камерите на термоядрените реактори на Земята).

Водородните ядра преодоляват кулоновата бариера, тунелирайки из енергийните ями, вместо да изскачат от тях. Тунелирането се случва според законите на квантовата механика с доста голяма вероятност за такива събития. В мащабите на една звезда то осигурява термоядрена реакция и непрекъснато горене просто защото там има много водородни ядра – има с какво да се сливат дори като се вземат предвид вероятностните свойства на този процес.

Китайските физици подходиха към въпроса от неочакван ъгъл – те предложиха да не се нагнетява плазмата в реактора до краен предел, а да увеличи вероятността за тунелен ефект за ядрата на водородното гориво.

Ако ядрата така или иначе не изскачат от енергийните си ями, защо да хабим излишна енергия? Така се появи теоретична статия, чиито автори са трима китайски учени: Дзинтао Ци от Технологичния университет в Шънджън, професор Чжаоян Джоу от Националния университет по отбранителни технологии и професор Сю Уанг от Висшето училище на Китайската академия по инженерна физика.

Работата се основава на изчисления на поведението на две ядра на водородното гориво: деутерий и тритий. В бъдеще изследователите ще анализират предложението си, като вземат предвид множество ядра и тяхното взаимно влияние. Идеята е да се допълни класическото нагряване на горивната плазма в реактора с процес, който би увеличил вероятността за тунелиране на горивните ядра през кулоновата бариера без специални енергийни разходи.

Подобна „патерица“ би могла да помогне за намаляване на общите енергийни разходи за стартиране на термоядрени реакции в реакторите и да доближи търговските термоядрени електроцентрали.

Традиционно за нагнетяване на енергия в плазмата се използват високочестотни лазери (например рентгенови лазери със свободни електрони) – те насочват изключително високоенергийни частици към плазмата. Новият анализ показва, че нискочестотните лазери (включително лазерите в близката инфрачервена област) са по-ефективни за увеличаване на вероятността за синтез при същите или сравними енергийни разходи. Това се дължи на факта, че нискочестотното поле позволява на ядрата да поглъщат и излъчват фотони многократно по време на сближаването – те взаимодействат по-интензивно с електромагнитното поле на помпените лазери, разширяват разпределението на енергията на сблъсъка и по този начин увеличават шансовете за квантово тунелиране през кулоновата бариера.

Като числен пример авторите дават следните оценки: при енергия на сблъсъка от 1 keV (килоелектронволт) без спомагателен лазер вероятността за реакция деутерий-тритий е изключително малка. Когато обаче горивото се облъчи с нискочестотно лазерно поле с енергия 1,55 eV и интензитет 1020 W/cm², вероятността за синтез се увеличава с три порядъка – 1000 пъти. Увеличаването на интензитета до 5×1021 W/cm² увеличава вероятността за синтез с девет порядъка (милиард пъти!) в сравнение с нормалните условия.Това е невероятна възможност, която преди или не е била разглеждана, или се е считала за нежизнеспособна.

Въпреки че работата е все още теоретична, тя предоставя обща рамка за анализ на реакциите на термоядрения синтез, поддържани от лазерни полета с различни честоти и интензивност и показва възможността за облекчаване на строгите температурни условия при контролирания термоядрен синтез. В бъдеще авторите планират да разширят теорията до по-реалистични плазмени среди с колективни ефекти и лазерно-плазмени взаимодействия, които са от решаващо значение за оценка на практическата приложимост на описаните в лабораторията механизми.