Исторический эксперимент по ядерной физике в LLNL

Фундаментальная проблема, которая десятилетиями занимала научное сообщество, наконец нашла ответ в его лабораториях. Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса (ЛЛНЛ). В развитии, которое устраняет разрыв между теоретической астрофизикой и экспериментальной физикой, исследователи им удалось измерить ядерные реакции непосредственно в среде горячей плазмы, с беспрецедентной точностью моделируя условия, преобладающие в ядре звезд.

Это достижение является не просто лабораторным успехом, оно коренным образом меняет наше понимание происхождения энергии в Вселенная и, как следствие, то, как мы пытаемся приручить его здесь, на Земле, с помощью ядерного синтеза.

За пределами ускорителей: расширяя границы

До сих пор наши знания о ядерных реакциях основывались главным образом на экспериментах с ускорителями частиц. В этих процессах ионные пучки воздействуют на твердые или газообразные цели. Несмотря на свою полезность, этот метод имеет существенный недостаток: цели «холодные». У них нет такой экстремальной температуры и плотности, как внутри звезды или в реакции термоядерного синтеза для производства энергии.

Заметная разница заключается в состоянии вещества. Звезды состоят не из твердого вещества, а из плазмы – «супа» из ионов и свободных электронов. В LLNL с использованием Национальной установки зажигания (Национальная установка зажигания – NIF), учёным удалось создать эту самую среду. Они использовали самые мощные в мире лазеры для сжатия и нагрева топливных капсул, создавая плазму с высокой плотностью энергии (HED).

Решающая роль электронов

В центре — явление «электронного экранирования». В плазменной среде свободные электроны влияют на вероятность столкновения и соединения ядер атомов. Это взаимодействие резко меняет скорость реакций по сравнению с экспериментами на ускорителях.

Измерения, которые были проведены в НИФ показали, что ядерные реакции в плазме ведут себя иначе, чем мы ожидали, основываясь только на прошлых данных. В частности, команда изучила реакцию синтеза дейтерия-трития (DT) и другие более легкие реакции, которые имеют решающее значение для понимания звездной эволюции.

Что это значит для астрофизики?

Данные эксперимента предлагают «корректирующий взгляд» на наши модели Вселенной. Астрофизики теперь могут более точно рассчитать:

• Жизненный цикл звезд: Как быстро звезды разной массы сжигают свое топливо?
• Строение коричневых карликов: Небесные тела на границе между планетами и звездами, внутреннее устройство которых оставалось неясным.
• Генерация данных: Как более тяжелые элементы создаются в ядре звезд — процесс, известный как ядерный синтез.

Важность чистой энергии

Помимо теоретической физики, результаты имеют прямое применение к поиску человечеством чистой энергии. Метод инерционного термоядерного синтеза, используемый NIF, зависит от точного знания скорости реакции.

Если компьютерное моделирование не дает правильных данных о поведении плазмы, невозможно спроектировать эффективные реакторы. Работа LLNL обеспечивает именно эти параметры, позволяя инженерам оптимизировать топливные цели и расположение лазеров для достижения максимальной производительности.

Будущее плазменных исследований

Публикация исследования знаменует собой начало новой методологии. Теперь плазма становится не просто средством достижения термоядерного синтеза, она превращается в прецизионную лабораторию. Возможность измерять сечения ядерных реакций в таких экстремальных условиях открывает путь к экспериментам, которые раньше считались невозможными.

Руководитель исследовательской группы и его сотрудники из различных университетов и институтов подчеркивают, что это только начало. Ожидается, что при дальнейшем совершенствовании возможностей НИФ будут исследованы еще более сложные реакции, проливающие свет на самые бурные и энергозатратные процессы во Вселенной.