Физики из США и Японии сообщили о первом успешном наблюдении реакции термоядерного синтеза ядер водорода и бора в магнитно-удерживаемой плазме, сопровождаемого рождением трех альфа-частиц. Ранее это удавалось сделать только на ускорителях и плазме, поддерживаемой лазером. Проведенная работа — необходимый шаг на пути создания условий для самоподдерживающегося горения водорода и бора. Исследование опубликовано в Nature Communications.
Термоядерный синтез ядер водорода и бора имеет ряд преимуществ перед более популярными сценариями синтеза. Такая реакция не приводит к образованию нейтронного излучения, поскольку ее продуктами становятся только лишь три альфа-частицы, от которых гораздо проще защититься. Кроме того, бор и водород не токсичны и не радиоактивны и находятся в природе в изобилии.
Но есть и проблемы. Физики точно знают характеристики этой реакции в основном по бомбардировке протонами борных мишеней. Увидеть же эту реакцию в плазме удается только с помощью мощного лазера. Причина в более высоком пороге, из-за чего температура, необходимая для протон-борного синтеза в плазме, в 30 раз выше, чем у самого «холодного», дейтерий-тритиевого решения.
На разрешения этих трудностей были направлены объединенные усилия американских физиков из стартапа TAE Technology и японских физиков из Национального института термоядерных исследований. Коллаборация долгое время развивала идею о том, что зажечь такую реакцию в магнитно-удерживаемой плазме все же можно, если нарушить в ней условия теплового равновесия между электронами и ионами. Теперь же ученым удалось впервые зафиксировать продукты такого процесса.
Эксперимент проходил на стеллаторе Large Helical Device, расположенном в Национальном институте термоядерных исследований. Физики проводили боронизацию плазмы, вбрасывая в нее порошок из субмиллиметровых песчинок нитрида бора. По их оценкам бор скапливался в окрестности середины шнура, достигая концентрации 6 × 1017 частиц на кубический метр.
Другой важный компонент установки – это инжектор нейтрального пучка, через который в плазму залетали протоны высоких энергий. Спустя некоторое время в плазме начиналась реакция, которая приводила к рождению альфа-частиц. Часть частиц покидала границу плазмы, где дополнительное магнитное поле перенаправляло их на плоский детектор площадью 2000 квадратных миллиметров. В его основе лежит частично обедненный кремниевый полупроводник, работающий в режиме фотодиода. Ученые поворачивали детектор так, чтобы минимизировать влияние рентгеновского излучения.
Параллельно с экспериментом команда проводила численные симуляции рождения альфа-частиц с помощью программного пакета FBURN. В результате теория и эксперимент согласовались в пределах стандартного отклонения. По словам авторов, проделанное исследование еще далеко от зажигания самоподдерживающейся реакции. Однако оно позволит исследовать реакции синтеза ядер водорода и бора в условиях магнитно-удерживаемой плазмы, без чего главной цели достичь невозможно.
Подробнее о том, как люди пытаются освоить термоядерный синтез, читайте в материале «Солнце — в бутылку!».