Физики из МФТИ и Объединённого института высоких температур РАН, работающие над фундаментальными проектами в области физики плазмы и управляемого ядерного синтеза, объявили о значительных продвижениях в изучении безнейтронной (без выделения нейтронов) реакции ядерного синтеза протон–бор. Исследование демонстрирует новый подход к синтезу, который может стать основой для создания экологически чистых источников энергии в будущем. Работа опубликована в журнале Frontiers in Physics (Fusion Plasma Physics).
За последние десятилетия интерес к термоядерной реакции синтеза протон-бор значительно возрос из-за перспективы ее использования как источника «чистой» энергии без опасного нейтронного излучения, характерного для термоядерных реакций с традиционным топливом, например, дейтерий–тритий. В течение многих лет исследование реакции протон-бор сталкивалось с трудностями, поскольку для нее требовалось получить плазму с очень экстремальными параметрами. Наиболее существенным вызовом было достижение достаточно высоких энергий частиц ( ~ 100 кэВ и более), необходимых для инициирования данной реакции. Все предыдущие исследования, начиная с пионерской работы 2005 года В.С.Беляева с коллегами из ЦНИИМАШа, были сфокусированы на использовании для этой цели лазеров, и в последние годы был достигнут значительный прогресс в изучении лазерного безнейтронного синтеза протон–бор. За прошедшие годы в основном в зарубежных лазерных экспериментах был зарегистрирован всё более растущий выход α-частиц. Однако интерес представляют и другие подходы к реализации синтеза протон–бор.
Помимо существующих и активно развивающихся различных лазерных схем, реализация реакции протон–бор в одном устройстве для создания и удержания плазмы без внешнего воздействия лазеров или протонных пучков на борную мишень также является очень перспективным направлением. В частности, совсем недавно было впервые получен синтез протон–бор при помощи магнитного удержания плазмы, с использованием инжекции порошка бора и высокоэнергетических водородных пучков. Несколько ранее, в 2021 году, впервые в мире было продемонстрировано ускорение и удержание протонов и ионов бора в одном миниатюрном устройстве на основе наносекундного вакуумного разряда (НВР) с последующим выходом α-частиц из реакции протон–бор.
Недавняя работа российских ученых связана с дальнейшим исследованием механизмов реакции синтеза протон–бор в НВР, где создается и удерживается плазма, в которой идут безнейтронные реакции. Ученые стремились оптимизировать условия для увеличения выхода альфа-частиц, что в будущем может обеспечить эффективное и безопасное производство энергии, а в ближайшей перспективе служить источником α-частиц для медицины, в промышленной электронике и других современных технологиях.
В моделировани «горячей» плазмы были использованы полный электродинамический код и метод частиц в ячейках (Particle-in-Cell, PiC), что позволило подробно изучить процессы, ведущие к реакции протон–бор в осциллирующей плазме НВР. Ученые сосредоточились на таких параметрах, как размер виртуального катода, в поле которого происходят ядерные реакции, и его влияние на выход альфа-частиц при разных геометриях анода и катода.
В предыдущих исследованиях ученые использовали тот же метод моделирования, чтобы понять, какая форма, расположение электродов и другие параметры в устройстве НВР для ядерного синтеза помогут достичь максимального выхода альфа-частиц. Альфа-частицы — это единственные продукты, возникающие в результате ядерной реакции между протонами и ионами бора, что и делает эту реакцию крайне привлекательной как для современных приложений, так и энергетики будущего. Максимальный выход альфа-частиц — это ключевой показатель успешности реакции, указывающий на эффективность удержания плазмы и процессов ядерного синтеза.
В новом исследовании ученые представили результаты моделирования, в котором они проанализировали геометрию электродов, использовавшуюся ранее в первых реальных экспериментах. Оказалось, что выбранная ранее форма электродов была далека от оптимальной. Это значит, что конструкция, в которой проводились первые эксперименты 2021 года, не обеспечивала наилучшие условия для достижения максимального выхода альфа-частиц.
Несмотря на неидеальную первоначальную конфигурацию электродов, моделирование показало наличие в ней альфа-частиц, но главное, что если увеличить объем анода, т. е. части пространства, где происходит ядерная реакция, количество реакций возрастает. Это означает, что анод с большим диаметром может позволить большему числу протонов и ионов бора совершать встречные столкновения, что увеличивает шанс на успешный синтез и величину выхода реакции. Ученые также установили, что при увеличении радиуса анода до 0.5 см выход альфа-частиц достигает максимального значения, а после этого перестает расти. Это говорит о наличии определенных ограничений, связанных со спецификой осцилляций ионов разной массы и заряда в НВР.
Такое исследование и его результаты, в частности, определяют параметры планируемых новых экспериментов по синтезу протон–бор, а в целом помогают лучше понять, какие параметры устройства для получения термоядерного синтеза необходимы для оптимизации процессов ядерного синтеза, что может привести в дальнейшем к созданию новых компактных и легко управляемых источников альфа-частиц для практики, а также более эффективным и безопасным будущим технологиям получения энергии на основе термоядерного синтеза.
Рисунок 1. (a) Геометрия анода и траектории выбранных групп протонов (индекс r) и ионов бора (y) в анодном пространстве в течение t = 30 нс; (b) Потенциальная яма виртуального катода при t = 10 нс; (c) Изменение энергии выбранных групп протонов и ионов бора со временем в процессе их колебаний; (d) Скорости всех частиц, включая продукты реакции протон-борного синтеза в зависимости от их положения вдоль радиуса. Виртуальный катод формируется в области r ≤ 0,25 см в результате торможения и ускорения электронов в анодном пространстве; (e) Количество реакций синтеза в зависимости от времени по результатам моделирования методом частиц в ячейках; (f) Изменение потенциала вдоль радиуса для трех фиксированных значений z = 2,0; 2,5 и 3,0 см на оси разряда при t = 10 нс. Источник: Frontiers in Physics.
«Мы открыли новый подход в области анейтронных реакций, продемонстрировав, что протон-борная термоядерная реакция возможна без внешних источников, таких как лазеры или протонные пучки. Понимание механики этой реакции откроет путь для создания безопасных и эффективных источников энергии», — сообщил Степан Андреев, начальник отдела радиофотоники МФТИ.
По итогам моделирования в работе был сделан общий вывод о том, что образование более объемного потенциального колодца (шире по радиусу и удлиненного вдоль оси разряда) с четко выраженными колебаниями протонов и ионов бора в нем обеспечивает заметное увеличение выхода α-частиц.
Исследование представляет собой важный шаг в области термоядерной физики и открывает новые возможности для практического применения технологии, основанной на слиянии протона и бора. Следующие шаги в этой области, включающие дальнейшие эксперименты и дополнительные компьютерные симуляции, могут привести к ряду открытий, которые будут полезны как для науки, так и для промышленности.
