Добиться термоядерного зажигания и изучить строение коричневых карликов поможет уникальный эксперимент томских физиков
В ИСЭ СО РАН группа специалистов отдела высоких плотностей энергии под руководством старшего научного сотрудника Сергея Сорокина реализовала электромагнитное сжатие тонких металлических оболочек импульсами тока с наносекундным временем нарастания. Полученные результаты имеют фундаментальное значение и могут послужить для развития многих исследований, в том числе для достижения термоядерного зажигания.
– В экспериментах по электродинамическому сжатию тонких оболочек из алюминиевой фольги (лайнеров) с начальными диаметрами 0,7–1,0 миллиметра, выполненных на уникальной научной установке МИГ (амплитуда тока 2 мегаампера), за счет обострения фронта тока через оболочку до нескольких наносекунд достигнуто 20-кратное радиальное сжатие оболочки, – рассказывает Сергей Аркадьевич.
Лайнер представляет собой цилиндр из тончайшей фольги, который издали можно принять за швейную иглу для бисера. Если сравнивать размеры лайнера и тераваттного импульсного генератора МИГ, приходит аналогия с муравьем и подводной лодкой. Сначала в специальных конденсаторах накапливается электрическая энергия, а затем через лайнер пропускается электрический ток, магнитное поле которого сжимает оболочку и разгоняет ее до скорости в несколько сотен километров в секунду. На оси оболочки кинетическая энергия частиц из направленного движения переходит в тепловое движение, в результате чего формируется сгусток плазмы с температурой в сотни электронвольт – это несколько миллионов градусов!
Учеными под руководством С.А. Сорокина удалось добиться уменьшения времени нарастания тока через оболочку до нескольких наносекунд, что позволило снизить на порядок радиус формируемого сгустка плазмы и, как следствие, на два порядка увеличить плотность внутренней энергии плазмы в сгустке. Впервые в мире было показано, что уже при уровне тока около двух мегаампер может быть получен столб плазмы с плотностью, в несколько раз превышающей твердотельную, и плотностью внутренней энергии плазмы не менее трехсот миллионов джоулей на кубический сантиметр. Таким образом, ученые ИСЭ СО РАН продемонстрировали, как достижения современной науки меняют привычные представления о возможности создания плазмы с высокой плотностью энергии в лабораторных условиях.
– На основании результатов экспериментов можно заключить, что при наносекундных временах нарастания тока можно ожидать термоядерного зажигания сжимаемой металлической оболочкой дейтерий-тритиевой смеси при токах порядка 10 мегаампер, которые достижимы на уже существующих сильноточных генераторах, – отмечает Сергей Сорокин. – Это, в свою очередь, может привести к прорыву в термоядерных исследованиях, так как снижается порог достижения термоядерного зажигания за счет уменьшения энергетики необходимых для этого сильноточных генераторов.
По словам ученого, такие эксперименты можно проводить на установках с амплитудами тока 10-15 мегаампер, которые действуют в настоящее время в мире, а ранее считалось, что получение термоядерного зажигания возможно только при условии применения генератора с амплитудами тока более 60 мегаампер.
Полученные результаты повлияют на развитие и других фундаментальных научных направлений и их практических приложений. Они позволят получать сильные магнитные поля уровня 100 мегагаусс на генераторах с током несколько мегаампер, а также повысить эффективность перехода энергии генератора в мягкое рентгеновское излучение. Кроме того, эти результаты помогут астрофизикам продвинуться в получении новых знаний о внутреннем строении таких астрофизических объектов, как гигантские планеты и коричневые карлики.