Российские ученые изучают «убегающие» электроны термоядерного синтеза

© 2022 Copyright. All Rights Reserved Фото : пресс-служба ТПУМикротрон ТПУ

© 2022 Copyright. All Rights Reserved Фото : пресс-служба ТПУ

Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) совместно с коллегами из Института сильноточной электроники Сибирского отделения РАН изучили характеристики излучения «убегающих» электронов, образующихся при термоядерном синтезе. Исследователи определили спектрально-угловые характеристики излучения электронов в различных радиаторах и разработали методику для их надежной идентификации. Результаты опубликованы в журнале JETP Letters.

Многие международные научные коллективы занимаются разработкой термоядерных источников энергии. Для этой цели планируется использовать специальный реактор для слияния ядер изотопов водорода (токамак). Он представляет собой большую камеру, в которой плазма нагревается циркулирующим током до температуры до сотни миллионов градусов. Происходит реакция слияния, ее продукты уносят энергию, которая потом перерабатывается в электричество.

Исследуется и другой подход, с применением лазерной технологии. Речь идет о получении термоядерной реакции за счет синхронизации пучков нескольких десятков лазеров в точке, где помещается капсула, содержащая термоядерное «топливо». Однако на пути создания эффективных термоядерных установок стоит ряд проблем, считает профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Александр Потылицын.

«Все эти подходы основывались на известном теоретическом выводе, что продуктами термоядерной реакции являются, в основном, нейтроны и альфа-частицы, которые взаимодействуют с передней стенкой реактора. Но выяснилось, что там присутствуют и электроны с очень большой энергией. Они могут нести дополнительную радиационную нагрузку на стенку, что приведет к ее преждевременному разрушению. Такие электроны, получившие название «убегающие», сейчас интенсивно исследуются», — рассказал он РИА Новости.

Ученые проводили эксперименты с «убегающими» электронами, в основном, на модельных установках, которые должны генерировать электроны примерно той же энергии, что и в ходе термоядерной реакции. Специалисты Института сильноточной электроники провели цикл подобных экспериментов на пучках электронов сильноточных ускорителей. Однако энергии этих установок было недостаточно для полномасштабных исследований, поэтому эксперименты решили продолжить на ускорителе Томского политеха.

"Сейчас мы исследуем характеристики оптического излучения электронов на микротроне ТПУ, в котором электроны ускоряются до энергии 3-6 МэВ. Это как раз интересующий нас энергетический диапазон. Наши коллеги из Италии или Китая, в основном, делают упор на сильноточные источники электронов, в которых энергия не превышает 1 МэВ. В 2019 году мы провели первые эксперименты с электронами при энергии в 6 МэВ", — пояснил Потылицын.

Сегодня исследователи впервые проводят эксперименты с электронами при энергии в 3 МэВ с использованием радиаторов из кварца, полиметилметакрилата и сапфира. Для детектирования электронов ученые предлагают использовать методы регистрации черенковского излучения, вызываемого этими электронами при их прохождении через прозрачную среду со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения в ней света.

Авторы исследования впервые разработали эффективную методику отделения черенковского излучения электронов от изотропного фонового излучения. Они планируют подобрать оптимальные характеристики радиатора и геометрию для регистрации черенковского излучения убегающих электронов, а также определить коммерчески доступный материал радиатора, его радиационную стойкость, оптические характеристики, технологичность изготовления и многое другое. Итогом работы станет разработка рекомендаций для создания работоспособных детекторов для планируемых и действующих термоядерных реакторов.