Model lasera niskiej częstotliwości oferuje potencjalny skrót do praktycznej fuzji jądrowej

Model lasera niskiej częstotliwości oferuje potencjalny skrót do praktycznej fuzji jądrowej

Naukowcy od dawna poszukują sposobu na pokonanie intensywnego odpychania elektrostatycznego między jądrami atomowymi bez polegania wyłącznie na ekstremalnych temperaturach występujących w jądrach gwiazd. W znaczącym postępie teoretycznym opublikowanym w czasopiśmie Nuclear Science and Techniques, badacze zaproponowali nowy mechanizm wykorzystujący intensywne pola laserowe o niskiej częstotliwości do manipulowania energiami zderzeń. Podejście to ułatwia tunelowanie kwantowe, potencjalnie obniżając ogromne bariery fizyczne i termiczne, które obecnie utrudniają wytwarzanie czystej, nieograniczonej energii z fuzji jądrowej.

Wyzwanie bariery Kulomba

Dążenie do kontrolowanej fuzji jądrowej — procesu zasilającego Słońce — definiuje jedna, zniechęcająca przeszkoda: bariera Kulomba. Ponieważ jądra atomowe są naładowane dodatnio, wywierają na siebie silne odpychanie elektrostatyczne. Aby doprowadzić do fuzji, dwa jądra muszą zbliżyć się do siebie na tyle, by oddziaływanie silne przejęło kontrolę i je związało. Tradycyjnie wymaga to podgrzania paliwa, takiego jak izotopy wodoru, do temperatur przekraczających dziesiątki milionów stopni Kelvina. W takich temperaturach jądra poruszają się z energią kinetyczną wystarczającą do pokonania wzajemnego odpychania.

Jednak utrzymanie tych „słonecznych” warunków na Ziemi wiąże się z potężnymi wyzwaniami inżynieryjnymi. Obecne metody, takie jak magnetyczne uwięzienie osocza (MCF) i inercyjne uwięzienie osocza (ICF), wymagają ogromnych nakładów energii w celu podtrzymania stanu plazmy i zapobiegania kontaktowi paliwa ze ściankami reaktora. Ograniczenia tradycyjnego ogrzewania termicznego są jasne: energia potrzebna do osiągnięcia tych temperatur często dorównuje lub przewyższa energię wytwarzaną w samej reakcji. W rezultacie poszukiwanie bardziej wydajnego katalizatora, który wypełniłby lukę między stanami niskotemperaturowymi a progiem fuzji, stało się priorytetem dla fizyków teoretyków.

Nowe ramy teoretyczne dla fuzji

Zespół badawczy kierowany przez adiunkta Jintao Qi z Shenzhen Technology University, wraz z profesorem Zhaoyanem Zhou z National University of Defense Technology i profesorem Xu Wangiem z Graduate School of the China Academy of Engineering Physics, przedstawił przekonującą alternatywę. Ich badanie, zatytułowane „Theory of laser-assisted nuclear fusion”, sugeruje, że siłowe ogrzewanie termiczne mogłoby zostać uzupełnione — lub być może złagodzone — poprzez strategiczne zastosowanie intensywnych pól laserowych. W przeciwieństwie do tradycyjnych podejść, w których lasery są używane głównie do kompresji pastylek paliwowych, ten model proponuje wykorzystanie pola laserowego do bezpośredniej modyfikacji dynamiki kwantowej zderzających się jąder.

Badanie podkreśla zaskakujące odkrycie dotyczące częstotliwości lasera. Podczas gdy lasery o wysokiej częstotliwości, takie jak lasery na swobodnych elektronach generujące promieniowanie rentgenowskie, niosą więcej energii na foton, naukowcy odkryli, że lasery o niskiej częstotliwości — w szczególności te z zakresu bliskiej podczerwieni — są znacznie skuteczniejsze w zwiększaniu tempa fuzji. Ten nieintuicyjny wynik wynika ze zdolności systemów o niskiej częstotliwości do napędzania „procesów wielofotonowych”. W takich warunkach oddziałujące jądra mogą pochłaniać i emitować ogromną liczbę fotonów podczas jednego spotkania, skutecznie przekształcając rozkład energii zderzenia w sposób, któremu fotony o wysokiej częstotliwości nie mogą dorównać.

Mechanika tunelowania kwantowego

U podstaw tego odkrycia leży zjawisko tunelowania kwantowego. W świecie kwantowym cząstki nie zawsze potrzebują wystarczającej energii, aby „przetoczyć się” przez barierę energii potencjalnej; zamiast tego mają statystyczne prawdopodobieństwo „przetunelowania” przez nią. Stosując zewnętrzne pole laserowe, badacze wykazali, że możliwe jest poszerzenie efektywnego rozkładu energii zderzeń reagujących jąder. Zamiast wąskiego zakresu energii podyktowanego przez środowisko termiczne, pole laserowe tworzy szerszy rozkład o znacznie większej wadze przy wyższych energiach efektywnych.

Modelowanie matematyczne dostarczone przez adiunkta Qi i jego współpracowników pokazuje, że laser nie tylko dodaje energii; modyfikuje on krajobraz potencjału, w którym znajdują się jądra. To „wspomagane laserem” tunelowanie pozwala jądrom o stosunkowo niskich początkowych energiach kinetycznych na pokonanie bariery Kulomba w tempie uważanym wcześniej za niemożliwe bez masowego przyspieszenia termicznego. Zasadniczo laser działa jako katalizator kwantowy, zwiększając przekrój czynny reakcji — prawdopodobieństwo, że zderzenie doprowadzi do fuzji — bez konieczności współmiernego wzrostu ogólnej temperatury układu.

Omijanie warunków słonecznych

Ilościowe implikacje tego modelu są uderzające. Wykorzystując reakcję deuter-tryt (D-T) jako punkt odniesienia, autorzy obliczyli wpływ lasera o niskiej częstotliwości o energii fotonu 1,55 eV. W przypadku zderzeń przy 1 keV (stosunkowo niska energia w kategoriach fuzji), natężenie lasera rzędu 10²⁰ W/cm² zwiększyło prawdopodobieństwo fuzji o trzy rzędy wielkości. Gdy natężenie zwiększono do 5 x 10²¹ W/cm², wzmocnienie osiągnęło zdumiewające dziewięć rzędów wielkości w porównaniu ze środowiskiem bez pola.

W kategoriach praktycznych oznacza to, że przy wspomaganiu intensywnym laserem o niskiej częstotliwości, zderzenie o energii 1 keV mogłoby osiągnąć efektywny przekrój czynny fuzji porównywalny ze zderzeniem o energii 10 keV w tradycyjnym reaktorze. Projektując rozkład energii jąder zamiast polegać wyłącznie na objętościowym ogrzewaniu termicznym, naukowcy sugerują możliwą drogę do zmniejszenia luki między warunkami eksperymentalnymi a praktyczną fuzją. Mogłoby to doprowadzić do przeprojektowania systemów inercyjnego uwięzienia, w których rola lasera zmieniłaby się z prostej kompresji na bardziej subtelną manipulację oddziaływaniami jądrowymi.

Ujednolicone ramy dla fizyki jądrowej laserów

Praca ta organizuje zachowanie fuzji wspomaganej laserem w ujednolicone ramy teoretyczne, które obejmują szeroki zakres częstotliwości i natężeń. Według autorów, model ten pokazuje, że intensywne pola laserowe mogą w zasadzie złagodzić rygorystyczne wymagania temperaturowe związane z kontrolowaną fuzją, przy jednoczesnym wykorzystaniu konwencjonalnych cykli paliwowych. Wkład ten jest szczególnie cenny dla rozwijającej się dziedziny laserowej fizyki jądrowej, dostarczając mapy drogowej tego, jak oddziaływania światło-materia mogą być wykorzystywane do kontrolowania procesów zarezerwowanych tradycyjnie dla wysokoenergetycznych środowisk akceleratorów cząstek lub wnętrz gwiazd.

Naukowcy podkreślają, że ich obecny model koncentruje się na wyidealizowanym układzie dwuciałowym. To uproszczenie było konieczne, aby wyizolować i zrozumieć podstawowy mechanizm tunelowania przekształconego przez laser. Przyznają jednak, że przejście od teorii do funkcjonującego reaktora będzie złożone. „Realistyczne plazmy termojądrowe wiążą się z efektami wielociałowymi, złożonymi oddziaływaniami laser-plazma i różnymi kanałami rozpraszania energii” — zauważył zespół w swoim raporcie. Czynniki te muszą zostać skrupulatnie zintegrowane z modelem, aby określić, jak te wzmocnienia zachowują się w gęstym, turbulentnym środowisku plazmy.

Mapa drogowa do walidacji eksperymentalnej

Kolejna faza tych badań obejmuje przejście z wyidealizowanej próżni fizyki teoretycznej do złożonej rzeczywistości testów laboratoryjnych. Naukowcy wskazują na szybką globalną ekspansję ośrodków laserowych o wysokiej intensywności jako główną motywację do swojej pracy. Placówki zdolne do osiągnięcia natężeń opisanych w badaniu — takie jak Extreme Light Infrastructure (ELI) w Europie lub różne laboratoria laserów o dużej mocy w Chinach i Stanach Zjednoczonych — mogłyby wkrótce zostać wykorzystane do walidacji tych przewidywanych wzrostów prawdopodobieństwa fuzji.

Przyszłe prace skupią się na rozszerzeniu teorii o „zachowania zbiorowe” i efekty „ekranowania” w plazmie. W rzeczywistym reaktorze obecność innych elektronów i jonów może osłaniać jądra, potencjalnie zmieniając sposób, w jaki pole laserowe oddziałuje z poszczególnymi partnerami fuzji. Jeśli przewidywane wzmocnienia o trzy do dziewięciu rzędów wielkości okażą się prawdziwe w tych bardziej złożonych środowiskach, droga do komercyjnej energii z fuzji jądrowej może ulec znacznemu skróceniu. Dostarczając teoretycznych wskazówek do projektowania przyszłych eksperymentów, zespół z Tokio, Shenzhen i China Academy of Engineering Physics położył podwaliny pod potencjalną zmianę paradygmatu w podejściu do „świętego Graala” czystej energii.

Wnioski i przyszłe kierunki

Badanie to stanowi zwrot w strategii badań nad fuzją: odejście od siłowego stosowania ciepła na rzecz precyzyjnej manipulacji stanami kwantowymi. Jeśli intensywne lasery o niskiej częstotliwości rzeczywiście mogą działać jako „skrót” przez barierę Kulomba, wymagania inżynieryjne dla przyszłych reaktorów mogą stać się znacznie mniej uciążliwe. Choć droga do bezemisyjnej sieci zasilanej fuzją pozostaje długa, narzędzia teoretyczne, takie jak te opracowane przez profesora Qi i jego współpracowników, dostarczają niezbędnych współrzędnych dla kolejnego pokolenia fizyków eksperymentalnych.