Воплотить самый, пожалуй, экзотический метод управляемого термоядерного синтеза – так называемый «ударный» – несколько лет пытается группа исследователей из лаборатории ядерной физики и технологии Пекинского университета.

Управляемый термоядерный синтез – это синтез более тяжелых атомных ядер из более легких с целью получения энергии. В отличие от взрывного (используемого в термоядерном оружии), он носит управляемый характер.

В традиционной ядерной энергетике используется реакция распада, в ходе которой из тяжелых ядер получают более легкие ядра.

Реакция же управляемого синтеза заключается в следующем: два или больше атомных ядра сближаются настолько, что силы, действующие на таких расстояниях, преобладают над силами кулоновского отталкивания между одинаково заряженными ядрами, в результате чего формируется новое ядро. Оно имеет меньшую массу, чем сумма масс исходных ядер, а разница переходит в энергию, выделяемую в процессе реакции.

В настоящее время существуют два принципиальных направления в попытках осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Первое – это квазистационарные системы, в которых нагрев и удержание плазмы осуществляются магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре. Для этого применяются реакторы в виде токамаков, стеллараторов и зеркальных ловушек. К квазистационарным относится и международный экспериментальный реактор ITER, расположенный близ Марселя.

Второе – это импульсные системы, где управляемый термоядерный синтез осуществляется путем кратковременного нагрева сверхмощными лазерными или ионными импульсами небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий. Такое облучение вызывает серию термоядерных микровзрывов.

Ученые продолжают спорить, какое из направлений перспективнее. Однако не исключено, что лучшим решением окажется сравнительно новая схема. Оказывается, для запуска реакции можно использовать… стрельбу алмазами.

За последнее время китайские специалисты опубликовали несколько научных работ на эту тему, а в будущем, возможно, будут проведены натурные эксперименты.

Идея китайцев такова. Нужно разогнать снаряд в виде миллиметрового алмаза до скорости около тысячи километров в секунду и направить его на сантиметровую мишень, состоящую из замороженного дейтерий-тритиевого кристаллического метана. Энергия удара должна довести вещество в мишени до давления и температуры, достаточных для запуска термоядерного синтеза, утверждают физики.

Дейтерий-тритиевый метан в виде льда ученые выбрали потому, что он обладает высокой концентрацией дейтерия и трития, а также хорошо останавливает альфа-частицы (рождающиеся в ходе синтеза), что в совокупности снижает жесткие требования к параметрам, при которых инициируется и поддерживается реакция.

Миллиметровая (цилиндрик или кубик) алмазная «пуля» (авторы технологии называют такую частицу «макрон») весит порядка 3,5 миллиграмма. При скорости 830 км /с она будет обладать кинетической энергией 0,95‑1,2 мегаджоуля.

Еще в конце 1970‑х годов исследователи обсуждали похожую схему синтеза, но предполагали, что для осуществления термоядерной реакции потребуется кинетическая энергия до 50 мегаджоулей (сконцентрированная в малом объеме), что приводило к необходимости разгона до сотен километров в секунду снаряда весом порядка одного грамма. Однако до сих пор не было устройства, способного обеспечить такому малому объекту столь высокую скорость.

Дейтерий-тритиевый метан в кристаллическом виде предполагается получать при давлении около 10 тысяч атмосфер и температуре ниже 252 кельвинов, что является вполне достижимым для современной техники. Новые расчеты делают ударный синтез несколько более реальным. Если раньше физики изучали возможность использования в схеме легкогазовых и рельсовых пушек, то китайцы сообщают, что единственный доступный способ получения желаемых параметров – многоступенчатый электростатический линейный ускоритель.

Авторы исследования сообщают, что пылевые частицы весом 10‑10 грамма ученым уже удавалось разгонять до 100 км/с при помощи электростатических ускорителей, питаемых генератором Ван де Графа.

Такие ускорители известны уже десятки лет. Однако построить многокилометровый аналог, способный работать не с пучками, а с миллиметровыми кристалликами алмаза, – задача непростая. Тем не менее, ориентируясь на опыт возведения крупнейших ускорителей, можно сказать, что создать «пушку» для макронов все же реально. В длину она будет насчитывать от 100 до 4 километров в зависимости от того, какую напряженность поля смогут обеспечить инженеры в установке.

Алмаз в роли ударника выбран из‑за важного сочетания свойств. Он обладает высокой прочностью, но в то же время умеренной плотностью, что хорошо для выбранного метода ускорения. К тому же для алмаза как ионизированной частицы характерны низкие потери на тормозное излучение.

Физики рассматривают миллиметровый алмаз как аналог пучка ионов. И хотя энергия каждого отдельного атома в таком случае оказывается очень далека от рекордной, плотность такого «пучка» будет в миллиарды раз выше, чем плотность ионных пучков в традиционных ускорителях частиц. Именно это, наряду с высокой скоростью, по расчетам китайских специалистов, и должно обеспечить начало термоядерного синтеза в точке удара алмазного снаряда и метановой мишени.

Ученые полагают, что, несмотря на трудности с постройкой большого ускорителя алмазов, новая схема окажется проще и дешевле прежних вариантов, ведь остальные части комплекса существенно упрощаются. Достаточно сказать, что тут не нужны ни сверхмощные лазеры, ни многотонные сверхпроводящие магниты, как в других вариантах.