Сонце в центрі нашої Сонячної системи є чудовою рекламою термоядерного синтезу: надвисокі температури та тиски об'єднують ядра водню в ядра гелію, вивільняючи величезну кількість енергії.

Якщо ми зможемо відтворити ці реакції на Землі, термоядерний синтез має потенціал стати революцією в отриманні безвуглецевої енергії. Але відтворити зірку в лабораторії виявляється не так просто.

Нещодавно дослідники з Принстонського університету опублікували дослідження в Physical Review Letters, в якому описують, як ми можемо швидше досягти термоядерного синтезу. Вони пропонують ефективний шлях до так званого запалення, коли плазма може підтримувати необхідні температури завдяки власним реакціям злиття.

На щастя, для тих, хто не є фізиками, дослідники наводять аналогію. Якщо запалення — це долина за гірським хребтом, то їхня нова ідея полягає в тому, щоб обійти гори, а не намагатися подолати їх.

"Багато компаній хочуть піднятися на гору прямо і витратити величезну кількість енергії, щоб туди дістатися", — говорить фізик Луїс Дельгадо-Апарісіо. "Обійдіть вершину. Ви досягнете того ж місця набагато розумнішим способом і витратите набагато менше енергії".

Дослідження базується на розширенні критерію Лоусона, розробленого в 1950-х роках, який визначає умови, необхідні для досягнення запалення в реакторі.

Дослідники додали чотири інші фактори до розрахунків, включаючи витрачене паливо у вигляді гелієвого попелу, домішки плазми з стінок реактора, втрати радіації, відомі як синхротронне випромінювання, та тепло, що виходить з плазми.

Ці ефекти на запалення вивчалися раніше, але не разом. Мета полягала в тому, щоб отримати більш реалістичний і точний погляд на те, як має бути сконфігурований реактор.

"Коли ви залишаєте ці ефекти поза увагою, ви кажете, що конструкція буде працювати добре", — говорить Масаюкі Оно. "Коли ви їх враховуєте, картина змінюється, і це стає досить важливим".

Дослідники шукали те, що математики називають сідлом Кордея: шлях до запалення (долина за горами), який вимагає найменше енергії. Розрахунки показали, що спочатку нагрівання плазми, а потім додавання щільності — це найкращий шлях, а не навпаки.

Інші результати з моделей дослідження включали вказівки на те, що навіть дуже мала кількість вольфраму може призвести до невдачі термоядерного синтезу. Оскільки цей метал планується використовувати в стінках кількох запланованих реакторів, плазму потрібно буде добре захистити від нього.

Команда також виявила деякі природні "гальма" для термоядерного синтезу. Радіація та витік тепла можуть підтримувати стабільність реакцій плазми, хоча це також ускладнить початок запалення.

"Коли дослідження термоядерного синтезу переходить від експериментів з горінням плазми до виробництва енергії на рівні реактора, теперішня структура забезпечує своєчасну основу для оцінки доступності запалення, стабільності та продуктивності в пристроях наступного покоління", — пишуть дослідники у своїй публікації.

Це дослідження не включало жодних фактичних тестів або експериментів, але з урахуванням того, що зараз пропонується та проектується кілька термоядерних реакторів, ці результати повинні дати цим електростанціям більшу ймовірність успіху — і потенційно заощадити багато часу та грошей на розробку.

Експерти розділені в думках щодо того, скільки часу знадобиться, щоб запустити термоядерні реактори — якщо це взагалі можливо — але це дослідження показує життєздатний шлях до мети. Разом з іншими нещодавніми досягненнями це означає, що ми ближче, ніж будь-коли, до термоядерного синтезу.

"Хоча потрібно більше досліджень, ми раді цим результатам, і вони вказують на чіткий шлях вперед для майбутніх досліджень у цій області", — говорить фізик Джонатан Менард.

Дослідження було опубліковано в Physical Review Letters.