Недавно завершившийся проект координированных исследований (ПКИ) позволил глубже изучить фундаментальные атомные и молекулярные процессы в целях дальнейшего продвижения к использованию термоядерного синтеза как источника энергии в будущем. В частности, благодаря проекту были получены и проанализированы данные по столкновениям ядер атомов водорода и гелия и последующим излучательным процессам, в которых энергия высвобождается в форме электромагнитного излучения. Термоядерные реакции, являвшиеся основным предметом исследования, могут протекать в разновидности материи, называемой плазмой, которая состоит из чрезвычайно горячих электрически заряженных газов.
«Полученные в ходе ПКИ данные расширили наши возможности в области моделирования сложных процессов, протекающих в термоядерных устройствах, и позволили нам лучше понять, что происходит в наших экспериментальных реакторах», — говорит Бастиан Брамс, научный сотрудник Национального научно-исследовательского института математики и компьютерных наук Нидерландов (КРИ), также принимавшего участие в ПКИ.
Термоядерный синтез — реакция, которая питает энергией солнце, имеет потенциал стать в конечном итоге практически неиссякаемым источником экологически чистой, безуглеродной энергии, где в качестве топлива буду использоваться вода и литий. Однако, чтобы энергия ядерного синтеза стала коммерчески жизнеспособной, необходимо решить сложные технологические задачи, в том числе обеспечить защиту стенок корпуса реактора в условиях колоссально высоких температур и освоить управление реакцией — именно этим аспектам уделялось основное внимание в рамках ПКИ.
В ходе проекта были изучены столкновения и реакции ядер атомов водорода и гелия в термоядерных устройствах, прежде всего, реакции атомов водорода, в том числе изотопов дейтерия и трития и их различных молекул и молекулярных ионов. Полученные данные помогли исследователям продвинуться вперед в деле разработки базы данных по критически оцененным сечениям столкновений (т.е. насколько должны сблизиться частицы, чтобы произошло столкновение) и коэффициентам скорости реакций (т.е. измерения скорости химической реакции). Это, в свою очередь, облегчит для исследователей во всем мире процесс выполнения расчетов и повысит их точность.
В рамках ПКИ, в котором приняли участие исследователи из различных учреждений в 12-ти странах в сотрудничестве с МАГАТЭ, были получены критически важные данные, которые помогут ученым создать средства для моделирования поведения атомов водорода и соответствующих молекул в условиях термоядерного синтеза.
Как протекает управляемая термоядерная реакция?
В ядре солнца реакции ядерного синтеза атомов водорода протекают внутри густой плазмы — данный процесс обеспечивает солнце энергией и обуславливает его свечение. В ходе таких реакций энергия невероятно высокой мощности для превращает незначительное количество массы в огромное количество энергии (в соответствии с знаменитой формулой Эйнштейна E=mc2).
Для протекания реакций в центральной части термоядерного реактора требуются высокие температуры, которые быстро снижаются по краям камеры синтеза, ближе к ее внутренним стенкам. Понимание физических процессов этой зоны, так называемой периферии плазмы, исключительно важно для защиты внутренних стенок реактора и управления самой реакцией ядерного синтеза. Одна из технически сложных задач, связанных с управлением реакцией с целью производства электроэнергии, состоит в моделировании атомных и молекулярных процессов, происходящих на периферии плазмы. И действительно, наших знаний о квантовых процессах, связанных с физикой плазмы, не достаточно даже в отношении самых простых атомов (атомов водорода).
Большой объем новой информации будет включен в базу ядерных данных МАГАТЭ ALADDIN; благодаря ему уже опубликовано 68 статей в рецензируемых журналах. Последняя статья по итогам данного ПКИ была опубликовано в журнале «Atoms» («Атомы») в мае 2017 года.
