Модель низкочастотного лазера предлагает перспективный метод реализации термоядерного синтеза

Модель низкочастотного лазера предлагает потенциальный путь к практическому термоядерному синтезу

Ученые давно искали способ преодолеть интенсивное электростатическое отталкивание между атомными ядрами, не полагаясь исключительно на экстремальные температуры, характерные для недр звезд. В значительном теоретическом достижении, опубликованном в журнале Nuclear Science and Techniques, исследователи предложили новый механизм, использующий интенсивные низкочастотные лазерные поля для управления энергиями столкновений. Этот подход способствует квантовому туннелированию, потенциально снижая огромные физические и термические барьеры, которые в настоящее время препятствуют получению чистой и безграничной энергии термоядерного синтеза.

Проблема кулоновского барьера

Стремление к управляемому термоядерному синтезу — процессу, питающему Солнце — определялось одним труднопреодолимым препятствием: кулоновским барьером. Поскольку атомные ядра заряжены положительно, они оказывают мощное электростатическое отталкивание друг на друга. Чтобы достичь синтеза, два ядра должны сблизиться на расстояние, достаточное для того, чтобы вступило в действие сильное ядерное взаимодействие и связало их вместе. Традиционно это требует нагрева топлива, такого как изотопы водорода, до температур, превышающих десятки миллионов градусов Кельвина. При таких температурах ядра движутся с кинетической энергией, достаточной для преодоления взаимного отталкивания.

Однако поддержание таких «солнечных» условий на Земле сопряжено с колоссальными инженерными трудностями. Текущие методы, такие как термоядерный синтез с магнитным удержанием (MCF) и инерциальный термоядерный синтез (ICF), требуют огромных затрат энергии для поддержания состояния плазмы и предотвращения соприкосновения топлива со стенками реактора. Ограничения традиционного термического нагрева очевидны: энергия, необходимая для достижения таких температур, часто сопоставима с энергией, вырабатываемой самой реакцией, или превышает ее. Следовательно, поиск более эффективного катализатора для преодоления разрыва между низкотемпературными состояниями и порогом синтеза стал приоритетом для физиков-теоретиков.

Новая теоретическая база для термоядерного синтеза

Исследовательская группа под руководством доцента Jintao Qi из Shenzhen Technology University вместе с профессором Zhaoyan Zhou из National University of Defense Technology и профессором Xu Wang из Graduate School of the China Academy of Engineering Physics представила убедительную альтернативу. Их исследование под названием «Theory of laser-assisted nuclear fusion» («Теория ядерного синтеза с лазерной поддержкой») предполагает, что «грубую силу» термического нагрева можно дополнить — или, возможно, смягчить — стратегическим применением интенсивных лазерных полей. В отличие от традиционных подходов, где лазеры используются в основном для сжатия топливных мишеней, эта концепция предлагает использовать лазерное поле для прямого изменения квантовой динамики сталкивающихся ядер.

В исследовании подчеркивается удивительный вывод относительно частоты лазера. В то время как высокочастотные лазеры, такие как рентгеновские лазеры на свободных электронах, несут больше энергии на фотон, исследователи обнаружили, что низкочастотные лазеры — в частности, работающие в ближнем инфракрасном спектре — значительно более эффективны в плане повышения скорости синтеза. Этот парадоксальный результат обусловлен способностью низкочастотных систем инициировать «многофотонные процессы». В этих условиях взаимодействующие ядра могут поглощать и испускать огромное количество фотонов во время одного столкновения, эффективно перестраивая распределение энергии их соударения таким образом, с которым высокочастотные фотоны не могут сравниться.

Механика квантового туннелирования

В основе этого открытия лежит феномен квантового туннелирования. В квантовом мире частицам не всегда требуется достаточно энергии, чтобы «перекатиться» через потенциальный энергетический барьер; вместо этого они имеют статистическую вероятность «туннелировать» сквозь него. Применяя внешнее лазерное поле, исследователи продемонстрировали возможность расширения эффективного распределения энергии столкновения реагирующих ядер. Вместо узкого диапазона энергий, диктуемого тепловой средой, лазерное поле создает более широкое распределение со значительно большим весом при более высоких эффективных энергиях.

Математическое моделирование, проведенное доцентом Qi и его коллегами, показывает, что лазер не просто добавляет энергию; он модифицирует потенциальный ландшафт, в котором находятся ядра. Это туннелирование с «лазерной поддержкой» позволяет ядрам с относительно низкими начальными кинетическими энергиями преодолевать кулоновский барьер со скоростью, которая ранее считалась невозможной без массированного термического ускорения. По сути, лазер действует как квантовый катализатор, увеличивая сечение реакции — вероятность того, что столкновение приведет к синтезу — без необходимости соразмерного повышения общей температуры системы.

Обход солнечных условий

Количественные выводы этой модели поразительны. Используя дейтерий-тритиевую (D-T) реакцию в качестве эталона, авторы рассчитали влияние низкочастотного лазера с энергией фотона 1,55 эВ. Для столкновений при энергии 1 кэВ (относительно низкая энергия в контексте синтеза) интенсивность лазера 10²⁰ Вт/см² увеличила вероятность синтеза на три порядка. Когда интенсивность была увеличена до 5 x 10²¹ Вт/см², усиление достигло ошеломляющих девяти порядков по сравнению со средой без поля.

На практике это означает, что при помощи интенсивного низкочастотного лазера столкновение при 1 кэВ может обеспечить эффективное сечение синтеза, сопоставимое со столкновением при 10 кэВ в традиционном реакторе. Конструируя распределение энергии ядер, а не полагаясь исключительно на общий термический нагрев, исследователи предлагают возможный путь к сокращению разрыва между экспериментальными условиями и практическим синтезом. Это может привести к пересмотру систем инерциального удержания, где роль лазера сместится от простого сжатия к более тонкому манипулированию ядерными взаимодействиями.

Единая база для лазерной ядерной физики

Работа систематизирует поведение лазерно-индуцированного синтеза в единую теоретическую базу, охватывающую широкий диапазон частот и интенсивностей. По словам авторов, эта база демонстрирует, что интенсивные лазерные поля могут, в принципе, смягчить строгие требования к температуре, связанные с управляемым синтезом, при сохранении использования традиционных топливных циклов. Этот вклад особенно ценен для развивающейся области лазерной ядерной физики, предоставляя дорожную карту того, как взаимодействие света и вещества может быть использовано для управления процессами, традиционно зарезервированными для высокоэнергетических сред ускорителей частиц или недр звезд.

Исследователи подчеркивают, что их текущая модель фокусируется на идеализированной системе двух тел. Это упрощение было необходимо, чтобы изолировать и понять фундаментальный механизм туннелирования, перестроенного лазером. Однако они признают, что переход от теории к функционирующему реактору будет сложным. «Реальная термоядерная плазма включает в себя многочастичные эффекты, сложные лазерно-плазменные взаимодействия и различные каналы диссипации энергии», — отметила группа в своем отчете. Эти факторы должны быть тщательно интегрированы в модель, чтобы определить, как эти улучшения проявляют себя в плотной турбулентной плазме.

Дорожная карта экспериментальной проверки

Следующий этап этого исследования предполагает переход от идеализированного вакуума теоретической физики к сложной реальности лабораторных испытаний. Исследователи указывают на быстрое глобальное расширение мощностей высокоинтенсивных лазерных установок как на основной стимул для своей работы. Установки, способные достигать интенсивностей, описанных в исследовании — такие как Extreme Light Infrastructure (ELI) в Европе или различные лаборатории мощных лазеров в Китае и США — вскоре могут быть использованы для проверки предсказанного повышения вероятности синтеза.

Будущая работа будет сосредоточена на расширении теории с включением «коллективного поведения» и эффектов «экранирования» внутри плазмы. В реальном реакторе присутствие других электронов и ионов может экранировать ядра, потенциально изменяя характер взаимодействия лазерного поля с отдельными участниками синтеза. Если предсказанное усиление на три-девять порядков подтвердится в этих более сложных условиях, путь к коммерческой термоядерной энергии может быть значительно сокращен. Предоставляя теоретическое руководство для разработки будущих экспериментов, команда из Токио, Шэньчжэня и Graduate School of the China Academy of Engineering Physics заложила основу для потенциальной смены парадигмы в подходе к «святому граалю» чистой энергии.

Заключение и будущие направления

Данное исследование представляет собой поворот в стратегии термоядерных исследований: переход от силового применения тепла к прецизионному манипулированию квантовыми состояниями. Если интенсивные низкочастотные лазеры действительно смогут стать «кратчайшим путем» через кулоновский барьер, инженерные требования к будущим реакторам могут стать существенно менее жесткими. Хотя путь к безуглеродной сети, работающей на термоядерном синтезе, остается долгим, теоретические инструменты, подобные тем, что были разработаны профессором Qi и его коллегами, предоставляют необходимые координаты для следующего поколения физиков-экспериментаторов.