Протягом десятиліть дослідники термоядерного синтезу стикалися з проблемою ізотропії нейтронів – ключового показника стабільності плазми, необхідної для масштабованого синтезу. Останні результати компанії Zap Energy свідчать, що її пристрій FuZE уникає типових помилок попередніх технологій Z-пінча, продукуючи ізотропні нейтрони, що підтверджує наявність термоядерного синтезу.
Важливий етап для технології Zap
В фізиці термін «ізотропія» означає рівномірність властивостей у всіх напрямках. У дослідженнях термоядерного синтезу ізотропія енергії нейтронів є критично важливим параметром, що визначає, наскільки рівномірно вони випромінюються. Якщо нейтрони випускаються рівномірно, це свідчить про стабільність плазми, що дозволяє її масштабування для отримання більшої енергії. Натомість, якщо випромінювання нейтронів є анізотропним (нерівномірним), це може вказувати на нестабільність плазми, що ускладнює стале енергетичне виробництво.
Останнє дослідження Zap Energy, опубліковане в журналі Nuclear Fusion, підтверджує, що метод зсувно-стабілізованого Z-пінча забезпечує стабільний термоядерний синтез. Досліди, проведені на пристрої FuZE, є важливим кроком у доведенні можливості масштабування технології Zap до вищих рівнів енерговиробництва. Це зміцнює впевненість у перспективності наступного покоління пристроїв, таких як FuZE-Q.
«Фактично, це вимірювання показує, що плазма знаходиться в термодинамічній рівновазі», — пояснює Урі Шумлак, головний науковець та співзасновник Zap Energy. «Це означає, що ми можемо подвоїти розмір плазми й очікувати збереження цієї рівноваги».
Чому важлива ізотропія нейтронів?
Термоядерний синтез може супроводжуватися випромінюванням нейтронів у результаті двох основних механізмів:
- Тепловий синтез – коли ядра водню зливаються під впливом надвисоких температур і тиску.
- Променева-мішенева (beam-target) взаємодія – коли ядро водню прискорюється та стикається з нерухомим ядром.
Зап Energy прагне до термоядерного синтезу, оскільки він забезпечує експоненційне зростання енерговиділення (приблизно до 10¹¹) при підвищенні сили струму в плазмі. Натомість променева-мішенева взаємодія є небажаною, оскільки вона вказує на порушення рівноваги плазми і не масштабовується ефективно для отримання чистої енергії.
Як вимірювали ізотропію нейтронів?
Щоб перевірити ізотропність нейтронів у FuZE, команда Zap Energy провела серію тестів із використанням детекторів, розташованих навколо пристрою. У результаті вимірювання 433 плазмових імпульсів нейтрони виявилися майже повністю ізотропними.
«Якби ми виявили переважно променево-мішеневе джерело нейтронів, це означало б, що наша технологія не підлягає масштабуванню, і ми не змогли б досягти виробництва чистої енергії», — зазначає Рейчел Раян, старший науковий співробітник Zap та головний автор дослідження.
Історичне значення відкриття
Z-пінч – один із найстаріших підходів до термоядерного синтезу, що веде своє коріння з 1950-х років. Під час експериментів у Великій Британії на установці ZETA науковці намагалися створити синтез за допомогою магнітного «стискання» плазми. Спочатку вони вважали, що досягли успіху, але згодом з’ясувалося, що більшість реакцій відбувалася через нестабільні променево-мішені взаємодії, а не термоядерний синтез. Це стало розчаруванням для наукової спільноти.
Схожа проблема стосується й інших технологій, таких як щільно-фокусована плазма (DPF). Хоча DPF ефективно генерує нейтрони, більшість із них походять з променево-мішеневих взаємодій, що унеможливлює використання технології для виробництва енергії.
Крок до масштабованої термоядерної енергетики
Zap Energy враховує уроки минулого і ретельно аналізує характеристики своїх нейтронів. Вперше компанія зафіксувала термоядерний синтез у 2018 році, а нові вимірювання при вищих енергіях ще раз підтвердили, що зсувні потоки можуть затримувати нестабільності, які раніше були фатальними для Z-пінча.
«Це одна з ключових фізичних перевірок нашої технології», — зазначає Урі Шумлак. «Саме тому ми приділяємо так багато уваги точності цих вимірювань».
Що далі?
Рейчел Раян, яка приєдналася до Zap у 2023 році, відіграє провідну роль у плануванні та проведенні нейтронних вимірювань. Наступний крок – повторення тестів на FuZE-Q при ще вищих рівнях енергії, і початкові результати вже обнадійливі.
Цікаво, що в кінці кожного імпульсу нейтрони ставали менш ізотропними. Дослідники вважають, що це сигналізує про фазу, коли Z-пінч стає нестабільним перед тим, як припинити синтез. Глибше розуміння цього процесу може допомогти продовжити час стабільної роботи плазми і підвищити її ефективність.
Висновок: останні результати Zap Energy є важливим кроком до створення масштабованого джерела термоядерної енергії. Технологія зсувно-стабілізованого Z-пінча, яка не потребує зовнішніх магнітів для утримання плазми, залишається однією з найбільш перспективних для досягнення чистої енергії майбутнього.