Инерциальный управляемый термоядерный синтез

Идея инерциального синтеза заключается в таком быстром и равномерном нагреве термоядерного топлива, чтобы образовавшаяся плазма до разлёта успела прореагировать. Таким образом, при использовании данного вида синтеза реактор будет работать в импульсном режиме^[2].

Для D-T плазмы, сжатой в 100 раз^[3] с температурой 10⁸К и диаметром в 2 мм, время удержания соответствует 10⁻⁹ секунды, что создаёт значительную проблему мгновенности разогрева^[2]. Для разогрева используют различные высокомощные лазеры, в том числе лазеры сверхкоротких импульсов^[3]. Для увеличения плотности и времени удержания используется радиационная имплозия мишени и прочие вторичные эффекты.

Для сжатия и нагрева мишени энергия передаётся через её поверхностные слои с помощью высокоэнергетических лазерных лучей, электронов и ионов, хотя по ряду причин почти все опытные установки по состоянию на 2017 год использовали лазеры. Перегретый внешний слой взрывается наружу, создавая реактивную силу, действующую на остатки мишени, сжимая её. Этот процесс порождает ударные волны, направленные внутрь мишени. Достаточно мощная серия ударных волн может сжать и нагреть топливо в центре так, что начнётся термоядерная реакция.

Энергия, которая высвобождается в результате такой реакции, способна нагревать окружающее топливо и, если температура будет достаточно высока, это может вызвать термоядерную реакцию. Целью таких установок является возможность достичь термоядерного «горения», когда процесс высвобождения тепла вызывает цепную реакцию, затрагивающую значительную часть топлива. Обычный шарик топлива имеет размер булавочной головки и весит около 10 миллиграммов. На практике лишь незначительная часть этого топлива может быть задействована в термоядерной реакции, но если всё это топливо будет использовано, это высвободит энергию, эквивалентную сгоранию одного барреля нефти.

Инерционный управляемый термоядерный синтез является одним из двух основных способов исследования термоядерной энергии, а второй способ — это магнитный управляемый термоядерный синтез.

В 2009 году в США, в рамках исследования инерциального термоядерного синтеза, произвели пробный запуск лазеров в национальном комплексе лазерных термоядерных реакций (NIF)^[4]. В эксперименте на этой установке 5 декабря 2022 года учёные впервые в истории добились положительного выхода энергии в ходе реакции термоядерного синтеза, в результате чего удалось получить около 3,15 мегаджоуля энергии, что превысило переданную лазерами в мишень энергию — 2,05 мегаджоуля. Энергии было получено даже больше, чем планировалось, что привело к повреждению диагностического оборудования и усложнило анализ результатов. В то же время речь идёт лишь о превышении выделившейся энергии над энергией, непосредственно переданной в мишень; общее количество энергии, затраченной на питание 192 лазеров установки, составляло 322 МДж, то есть КПД установки в этом эксперименте достигал величины менее 1 %^[5][6][7].

Термоядерный синтез также можно вызвать давлением электромагнитного излучения с помощью рентгеновской установки. Такие эксперименты в области управляемого термоядерного синтеза проводятся с помощью так называемой Z-машины в Сандийских национальных лабораториях. Первый прототип такой установки был создан в 1980 году, затем она модернизировалась^[8].