Термоядрена реакция с бор показа неочакван резултат

Цялата история на човечеството в определен смисъл може да бъде описана като движение от по-малко концентрирани форми на енергия със слънчев произход към по-концентрирани.

Homo Erectus е усвоил изгарянето на дърва – биомаса, получена с помощта на слънцето. Homo Sapiens започнал да гори въглища и нефт, след това дошъл ред и на прякото получаване на енергия от Слънцето.

Следващата логична стъпка би било усвояването на източника, който захранва самото Слънце, и тогава, грубо казано, дори ще запасяваме слънчева светлина в кофи за нощно и зимно ползване. С едно уточнение: не умеем.

Има различни методи за иницииране на управляема термоядрена реакция – токамак, лазерен обстрел на ядро с деутерий и пр., но всички те засега дават прекалено малко енергия, за да оправдаят своето използване в реалната енергетика, а стойността на подобни устройства съкрушава въображението.

Но надеждите за постигането на рентабилен термоядрен синтез през цялото време се отдалечават от нас, буквално като хоризонт от брега – с всяка нова стъпка токамаците и лазерните инерционни системи за синтез се оказва, че има неизучени механизми, които правят синтеза още по-труден, отколкото сме мислили.

И ето че сега екип начело с Кристин Лабон от Политехническата школа във Франция прави всеобщо достояние информация, по смисъл противоположна на серия нереализирани надежди с токамаци и прочие.

През 2005 година руски учени опитали да обстрелват мишена от бор с лазери. Така били регистрирани хиляди ядра хелий, но тяхното количество било недостатъчно, за да се говори в перспектива за самоподдържаща се реакция. Това изглеждало логично – борът е по-тежък от деутерия и трития, главните претенденти за ролята на най-просто гориво за инициация на управляема термоядрена реакция. Какво изобщо са искали от бора?

Всички обичайни схеми на управляема термоядрена реакция предвиждат сливането на деутерий с тритий за получаване на хелиеви ядра, но на този път неизбежно възникват неутрони с висока енергия, способни да увредят практически всички известни материали, които може да се използват за строителство на термоядрен реактор. И разбира се, да ги направят радиоактивни, което впоследствие изисква да бъдат погребани.

Схемата на термоядрената реакция с бор е друга. Протоните, ускорени от лазера и попадащи в борната мишена, пораждат хелиеви ядра без неутрони. Това прави бора изключително интересен за практични термоядрени реактори, а стойността му не може да се сравни с тази на трития и деутерия. Но както беше казано по-горе, да се пусне реакция на термоядрен синтез с бор, е доста по-сложно, отколкото с водородните изотопи.

Тоест смяташе се, че е много по-сложно. Учените от екипа на Лабон всъщност провели същия опит, както и руските им колеги преди осем години, но отначало използвали инфрачервен лазер, за да превърнат изотопите на бора в плазма.

Части от секундата по-късно те обстреляли с друг лазер мишена от алуминиево фолио, което създало поток бързодвижещи се протони, разсейващи се в плазмата, и част от тях се сливали с ядрата на борните атоми. В резултат се получило ядро въглерод-12 с шест протона и шест неутрона, докато в стабилните борни изотопи имало пет протона и не повече от шест неутрона. Полученото въглеродно ядро било в толкова възбудено състояние, че незабавно се разпадало. Само в една реакция се образували осем милиона хелиеви ядра – а не хиляди, както в опитите през 2005 г.

Предимствата са очевидни – превръщайки бора в плазма, първият лазер лишил атомите му от електрони, оставяйки само голи ядра с протони и неутрони. В този случай вероятността от сблъсъци на протони, задвижени от втория лазер, именно с ядрата драстично нараснала, а разходите на енергия на импулса за йонизация на борните атоми спаднали. Всичко това предизвикало радикално увеличение на случаите на сливане на ядрата в хода на реакцията.

Това е много интересно не само от гледна точка на енергийните перспективи. Търсенето в областта на термоядрената енергетика основно се опира на теоретичните представи за това какви термоядрени реакции с най-голяма вероятност ще протичат при прилагане на едно или друго количество енергия.

Както се оказало, съпътстващите обстоятелства са способни решително да променят ситуацията за бора, а това означава – и вероятността за едни или други термоядрени реакции в недрата на звездите може поне частично да се различават от нашите представи за тях.

Енергийната страна на нещата е още по-значима. Днес инсталациите за инерционен термоядрен синтез използват до двеста мощни лазера, като например тази в Ливърмор. В схемата, предложена от французите, се използват само два лазера. И ако този успех се мащабира, става дума за гигантски скок, да не говорим за потенциалното поевтиняване на горивото и радикалното опростяване на конструкциите на реакторите, тъй като вече няма да им се налага да издържат градушка от бързи неутрони.

Схема на провеждането на експеримента.

Авторите смятат, че аналогични механизми на повишаване на ефективността на термоядрените реакции с бързи неутрони са приложими и към други леки изотопи, подлагани на обстрел с протони.

Засега това е само експеримент, затова инсталацията е провеждала термоядрен синтез веднъж на 90 минути, но по принцип с използването на съществуващите лазери подобен процес може да бъде организиран и на непрекъсната основа.

Тъй като опитите не са си поставяли за цел достигането на максимално енергийно отделяне, за пълното разбиране на борния термоядрен синтез са необходими допълнителни експерименти.

Така или иначе пред нас е доста многообещаващо явление, способно да промени бъдещето на термоядрената енергетика.

Отчет за изследването е публикуван в сп. Nature Communications, а с пълния му текст можете да се запознаете тук.

Източник: Nature