Протон

Физики из США и Японии впервые наблюдали ядерный синтез между протонами и атомами бора-11 в магнитно-удерживаемой плазме. Они говорят, что результат демонстрирует потенциал протонно-борного синтеза как обильного и экономичного источника энергии. Но другие предупреждают, что научная основа такого источника энергии остается в значительной степени недоказанной и что на пути коммерческих электростанций стоят огромные технические препятствия.

Все формы термоядерного синтеза обещают почти безграничную, чистую энергию с базовой нагрузкой без проблем возможного расплавления и долгоживущих отходов, которые мешают делению. Но синтез протона и бора (p11B) имеет несколько дополнительных преимуществ по сравнению с более распространенными реакциями с участием изотопов водорода дейтерия и трития.

Бор можно легко добыть, тогда как тритий на Земле редок и его трудно производить искусственно. В результате протон-борных реакций также образуются три атома гелия (альфа-частицы), энергия которых в принципе может быть напрямую преобразована в электричество, при этом не генерируются нейтроны и тем самым существенно снижается радиоактивное загрязнение компонентов реактора.

Однако за эти плюсы приходится платить. Сам по себе синтез дейтерия и трития требует огромных температур для преодоления взаимного отталкивания ядер — около 100 миллионов Кельвинов. Но для протонно-борных реакций нужны еще гораздо более экстремальные условия – около 1,5 миллиардов Кельвинов.

Как объясняют авторы последнего исследования в статье, опубликованной в журнале Nature Communications, чем выше температура плазмы, тем больше энергии обычно излучается в виде синхротронного и тормозного излучения. Это, отмечают они, затрудняет выработку большего количества энергии посредством реакций термоядерного синтеза, чем необходимо для питания реактора. процесс.

Новая работа была проведена Ричардом Маги и его коллегами из калифорнийской термоядерной компании TAE Technologies совместно с учеными из Национального института термоядерной науки в Токи, Япония. Исследователи проводили свои эксперименты на большом спиральном устройстве (LHD) института, стеллараторе с необходимым термоядерным топливом: протоны запускаются в виде высокоэнергетических нейтральных пучков, а порошок бора впрыскивается в плазму, чтобы помочь уменьшить примеси.

Компания TAE предоставила детектор, в основе которого лежит частично обедненный кремниевый полупроводник, генерирующий ток при попадании в него альфа-частиц. Это было сделано для того, чтобы избежать ошибочной регистрации сигналов рентгеновских лучей и другого плазменного излучения из-за того, что он был расположен под углом от плазмы ядра и направлял к нему заряженные альфа-частицы большим магнитным полем LHD.

В феврале прошлого года исследователи выполнили несколько десятков экспериментальных снимков. Они наблюдали реакции термоядерного синтеза, сравнивая сигнал на своем детекторе до и после включения нейтральных лучей, а также производя несколько выстрелов без борного порошка. Только когда у них были и нейтральные лучи, и порошок бора, они получили скачок производительности – точное значение которого говорило им, что они производят около 1012 реакций термоядерного синтеза в секунду, что согласовывалось с компьютерным моделированием.

Это не первая демонстрация синтеза протона и бора – ученые ранее наблюдали его с помощью ускорителей частиц и мощных лазеров. Но американо-японское сотрудничество утверждает, что важно изучить реакцию там, где она в конечном итоге будет использована – внутри магнитно-удерживаемой термоядерной плазмы. Исследователи признают, что предстоит проделать гораздо больше работы, но уверены, что TAE достигнет прироста энергии в одном из своих устройств.

Действительно, TAE утверждает, что находится на пути к коммерческой термоядерной энергии. Компания построила серию все более сложных реакторов для исследования термоядерного синтеза с обращенной конфигурацией поля, который включает в себя выброс импульсов плазмы в камеру и удержание их на месте магнитным путем путем вращения. Ни одно из устройств на сегодняшний день не продемонстрировало протонно-борный синтез (нынешний «нормандский» реактор использует водородную плазму), но фирма заявляет, что намерена подавать электроэнергию в сеть от пилотной протонно-борной электростанции к началу 2030-х годов.