Поліетиленові нанопроводи підвищили ефективність ядерного синтезу на мікрорівні

Фізики розробили метод проведення реакцій ядерного синтезу з використанням щільних масивів нанопроводів і фемтосекундних лазерних імпульсів з енергією в кілька джоулів. За допомогою плазми високої щільності, яка утворюється при опроміненні нанопроводів з дейтерованого поліетилену, вдалося домогтися рекордної ефективності ядерної реакції, ініційованої лазерами невеликої потужності, пишуть вчені в.

Для реакцій ядерного синтезу, при яких кілька легких ядер взаємодіють один з одним з утворенням більш важких ядер, зазвичай використовується паливо на основі ізотопів водню - дейтерія і тритія, злиття яких призводить, наприклад, до утворення ядер гелію, елементарних частинок і виділення енергії. Для здійснення цих реакцій, як правило, використовуються величезні установки для сферичного стиснення плазми і генерації надпотужних коротких лазерних імпульсів з енергією більш мегаджоуля. Ефективність такого підходу можна оцінити, наприклад, за кількістю нейтронів, що утворилися в результаті ядерної реакції, в перерахунку на один джоуль лазерного імпульсу. У традиційних установках ця кількість становить від десяти тисяч до півмільйона нейтронів.

Фізики з США і Німеччини під керівництвом Хорхе Роккі (Jorge J. Rocca) з Університету штату Колорадо запропонували для проведення реакцій ядерного синтезу використовувати значно більш компактну установку, в якій плазма утворюється при опроміненні невеликим лазером поверхні, на яку нанесено масив щільноупакованих нанопроводів.

Кожен з нанопроводів діаметром від 200 до 400 нанометрів і довжиною 5 мікрометрів складається з дейтерованого поліетилену і служить джерелом палива для реакції. При опроміненні фемтосекундними лазерними імпульсами ця наноструктурована поверхня стає джерелом іонів, що містять вуглець, водень і дейтерій, у тому числі дейтрони - ядра ізотопу водню ²H, що складаються з одного протона і одного нейтрона. При достатній потужності імпульсів в області навколо нанопроводів утворюється плазма високої щільності, в якій вилітаючі дейтрони реагують один з одним з утворенням ядер гелію-3 і нейтронів (D + D  ³He + n).

У проведеному вченими експерименті масив дейтерованих поліетиленових проводів опромінювався лазерними імпульсами тривалістю 60 фемтосекунд, довжиною хвилі 400 нанометрів і енергією до 1,65 джоуля. Ці імпульси призводили до вибивання іонів із середньою енергією близько 0,6 мегаелектронвольту. Максимальна енергія дейтронів склала 3 мегаелектронвольти, що значно більше енергії дейтронів при використанні твердих джерел.

Аналіз результатів експерименту показав, що при використанні розробленої вченими схеми кожен джоуль лазерного опромінення призводить до утворення 2 мільйонів нейтронів. Це рекордне значення для лазерів з енергією близько декількох джоулів і приблизно в 500 разів більше, ніж при використанні в якості джерел дейтерію твердих плоских поверхонь.

Результати експерименту також були підтверджені комп'ютерним моделюванням, яке до того ж показало, що при збільшенні потужності лазера також буде збільшуватися і кількість нейтронів, що утворилися, і ефективність методу не буде сильно падати. За словами вчених, отримані ними результати можуть допомогти при розробці компактних джерел нейтронів з контрольованою енергією, які можна використовувати, наприклад, для дослідження фізичних властивостей матеріалів.

Зазначимо, що умов, необхідних для проведення реакцій термоядерного синтезу можна домогтися і в досить мініатюрних реакторах, розробці яких присвячені як великі дослідницькі програми, такі і приватні стартапи. Так, британські фізики за допомогою невеликої установки OMEGA показали перспективність прямого стиснення плазми за допомогою точного фокусування невеликого числа лазерів. А детальніше про реакторів, що розробляються приватними компаніями, можна прочитати в нашому матеріалі.