«Апостериори»: Физики предложили новый способ достижения устойчивой термоядерной реакции

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Для получения энергии с помощью управляемого термоядерного синтеза необходимо нагреть вещество до температуры в десятки миллионов градусов. При такой температуре оно превращается в плазму, а ядра лёгких элементов получают достаточно энергии, чтобы преодолеть взаимное электрическое отталкивание и вступить в реакцию синтеза.

Однако одной высокой температуры недостаточно. Чтобы реакция могла поддерживать сама себя, плазма должна быть достаточно горячей и плотной и при этом достаточно долго удерживать энергию. Соотношение этих параметров описывает критерий Лоусона. Если условия превышают определённый порог, энергия, выделяемая при термоядерных реакциях, может компенсировать потери энергии плазмой.

Но в исследовании, опубликованном 10 сентября 2026 года в журнале Physical Review Letters, физики из Принстонской лаборатории физики плазмы предложили рассматривать термоядерное зажигание не как достижение определённого порога, а как динамический процесс. По их расчётам, значение имеют не только конечные температура и плотность плазмы, но и то, каким образом реактор достигает этих значений.

Авторы объединили несколько существующих моделей термоядерного зажигания и учли реальные механизмы потери энергии. Плазма испускает электромагнитное излучение, часть энергии уносится частицами, а присутствующие в ней примеси дополнительно увеличивают потери. В результате область, в которой возможно зажигание, смещается к более высоким температурам и плотностям.

При этом исследователи обнаружили, что существуют более и менее благоприятные пути для достижения этой области. Согласно модели, сначала выгоднее нагреть сравнительно разреженную плазму, а уже затем постепенно увеличивать её плотность. Если же сразу увеличить плотность вещества, для его последующего нагрева потребуется компенсировать значительно большие потери энергии.

Такой путь позволяет пройти через так называемый перевал Корди – область параметров, через которую плазма может перейти от состояния, требующего постоянного внешнего нагрева, к самоподдерживающейся термоядерной реакции.

Однако реальные потери энергии делают этот переход сложнее, чем следует из идеализированного критерия Лоусона.

Для зажигания требуется большее давление плазмы. В установках с магнитным удержанием это означает необходимость увеличить отношение давления плазмы к давлению удерживающего её магнитного поля. Но слишком большое давление может сделать плазму неустойчивой. Таким образом, авторы напрямую связали условия термоядерного зажигания с ограничениями магнитной устойчивости будущего реактора.

При этом потери энергии могут играть и противоположную роль. После начала термоядерного горения возникает опасность теплового разгона: повышение температуры ускоряет реакции синтеза, выделяется больше энергии, и температура повышается ещё сильнее. Согласно новой модели, потери на излучение, примеси и перенос энергии способны создать отрицательную обратную связь и замедлить этот процесс. Поэтому факторы, которые мешают первоначальному зажиганию плазмы, после его достижения могут, наоборот, помочь поддерживать устойчивое горение.

Исследователи также рассмотрели способы расширить область параметров, при которых возможно зажигание. Среди них – улучшение удержания энергии и использование спин-поляризованного дейтерий-тритиевого топлива, способного увеличить вероятность реакции синтеза.

Пока предложенная модель остаётся теоретической. Она описывает плазму в целом и не учитывает всю сложность её пространственной структуры и турбулентности. Тем не менее результаты показывают, что при разработке будущих термоядерных реакторов может быть важно не только достичь необходимых температуры, плотности и времени удержания энергии, но и правильно выбрать последовательность, в которой реактор будет к ним приближаться.