Кубанский государственный технологический университет

Термоядерный синтез элементов в звездах можно изучать в настольном эксперименте

02-03-2012
Под действием короткого и сверхмощного светового импульса атомный кластер или сложная молекула теряет все свои электроны, и происходит ее кулоновский взрыв (изображение с сайта www-ssrl.slac.stanford.edu)

Вычисления израильских физиков доказывают, что термоядерные реакции синтеза химических элементов в звездах можно изучать в сравнительно простом и дешевом настольном эксперименте.

Когда речь идет об экспериментах по ядерным превращениям, на ум приходят прежде всего ядерные реакторы или ускорители тяжелых ядер, занимающие целое здание, их сложная система защиты и многочисленный обслуживающий персонал со специальным допуском. В отличие от большинства областей физики, упростить установку, уменьшить ее до настольного эксперимента и тем самым сделать экспериментальную ядерную физику доступной широкому кругу исследователей долгое время не удавалось.

Несколько лет назад ситуация кардинально изменилась. В пионерских экспериментах исследователей из Ливерморской национальной лаборатории в США (J. Zweiback et al., Phys. Rev. Lett. 84, 2634. 2000) было обнаружено, что под действием мощной вспышки лазерного света в кластерах дейтерия (D2)n протекает термоядерная реакция слияния двух ядер дейтерия. (Подробности см. в популярной статье Лазерный термоядерный синтез в кластерах, Крайнов В.П. // СОЖ, 2001, № 10, с. 75–80.) Процесс, приводящий к этому, был назван «кулоновским взрывом» кластеров. Очень короткий и сверхмощный световой импульс, будучи сфокусированным на кластере-мишени, буквально «сдувал» с него все электроны. Кластер в мгновение ока превращался в набор оголенных, положительно заряженных ядер, и затем взрывался под действием электростатических кулоновских сил расталкивания. Самые внешние ядра разгонялись до очень высоких скоростей и, сталкиваясь с другими ядрами, приводили к термоядерной реакции.

Спустя несколько лет была найдена еще одна возможность осуществить термоядерный синтез на рабочем столе: на основе пироэлектрического эффекта. В этих опытах использовались кристаллы, которые настолько сильно электризовались при нагреве, что разгоняли ядра до энергий, достаточных для протекания ядерных реакций. Наконец, в последние годы широко обсуждалась возможность протекания термоядерных реакций при сонолюминесценции, но, судя по всему, первоначальные сообщения не подтвердились.

Все эти достижения открывают новую эру в ядерном эксперименте. Энергетический выход и дозы радиации в таких настольных экспериментах ничтожны, и потому они, с одной стороны, радиационно безопасны, но с другой стороны, не представляют интереса для индустрии. Зато в них можно изучать условия протекания и свойства самих ядерных реакций — именно то, что и требуется физику-экспериментатору. Результаты таких экспериментов будут очень полезны, кроме всего прочего, и для астрофизики, поскольку слияние ядер дейтерия — ключевая реакция в процессе горения звезд.

К сожалению, слияние двух дейтронов — единственная из реализованных на сегодняшний день термоядерных реакций в настольном эксперименте. Однако в тех же звездах протекают и иные очень важные процессы, приводящие к образованию более тяжелых элементов (см. обзорную статью Ядерные реакции из маленькой энциклопедии Физика космоса). Поэтому естественно желание адаптировать настольные эксперименты и для этих реакций.

В недавней статье физиков из Тель-Авивского университета I. Last and J. Jortner, Physical Review Letters, 97, 173401 (23 October 2006) описывается, как этого можно достичь в тех же опытах с кулоновским взрывом. Авторы провели вычисления этого процесса в случае кластеров метана (CH4)n, аммиака (NH3)n и воды (H2O)n и выяснили, что мощность вспышки, необходимой для их полной ионизации, вполне достижима при современных технологиях. Правда, для того, чтобы энергия ядер при кулоновском взрыве была достаточной для ядерной реакции, необходимо использовать довольно большие кластеры, содержащие несколько миллионов молекул, но и это по плечу современным технологиям.

В итоге, как показали вычисления, при подходящих условиях можно будет достичь несколько десятков событий термоядерных реакций (12C + p → 13N + γ, 14N + p → 15O + γ или 16O + p → 17F  + γ в зависимости от использованных кластеров) на один световой импульс. Поскольку эти реакции входят в углеродный цикл горения звезд, их изучение (в частности, выяснение детальной структуры резонансов в этих реакциях) на такой простой настольной установке кажется очень перспективным. Дальнейший прогресс в лазерных технологиях должен улучшить условия для протекания термоядерных реакций и существенно повысить их выход.

Игорь Иванов

‹‹