Компьютерные расчеты термоядерных реакций оказались ошибочными: как эксперимент с испаренной медью переписывает законы физики плазмы

Воздействие сверхмощного оптического лазера на металл разрушает межатомные связи за квадриллионные доли секунды. В точке удара материал мгновенно переходит в состояние горячей сверхплотной плазмы, а локальная температура достигает значений, при которых протекают термоядерные реакции.

Основная проблема изучения этих процессов заключается в их скорости и плотности возникающей среды. Основные этапы взаимодействия — поглощение энергии, отрыв электронов от атомных ядер (ионизация) и возникновение мощных электромагнитных полей — происходят за фемтосекунды и пикосекунды (квадриллионные и триллионные доли секунды). При этом сама плазма становится абсолютно непрозрачной для обычного оптического излучения. Из-за этого традиционные измерительные приборы не способны фиксировать последовательность событий. Долгое время физики могли регистрировать только начальные параметры лазерного импульса и конечный результат в виде разрушенной мишени и разлетевшихся частиц, реконструируя промежуточные этапы исключительно с помощью теоретических компьютерных расчетов.

Чтобы получить объективные данные о происходящем внутри плазмы в реальном времени, международная группа исследователей разработала и применила новый метод диагностики. Используя возможности Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European XFEL), ученые смогли напрямую зафиксировать изменения зарядового состояния ионов металла с разрешением в десятые доли пикосекунды.

Схема независимого нагрева и зондирования

В основе эксперимента лежит классический лабораторный метод разделения ролей: один источник излучения отвечает за физическое воздействие на объект, а второй — за считывание информации. В данном исследовании в качестве источника воздействия применялся оптический лазер ReLaX. Его задача заключалась в генерации сверхкороткого (30 фемтосекунд) импульса колоссальной мощности. Мишенью служила медная проволока диаметром 10 микрометров. Интенсивность лазерного излучения в точке фокуса составляла 2.5x10²⁰ ватт на квадратный сантиметр. При таком уровне энергии структура металла разрушается мгновенно, формируя горячую плазму с высокой плотностью.

Вторым компонентом системы выступал рентгеновский лазер XFEL, выполнявший функцию зонда. Рентгеновское излучение, в отличие от видимого света, обладает достаточно короткой длиной волны, чтобы проникать сквозь плотную плазму. Уникальность эксперимента заключалась в точной настройке энергетических параметров этого зонда. Ученые зафиксировали энергию фотонов рентгеновского лазера на строго определенном значении — 8.2 килоэлектронвольта (кэВ).

Это значение было выбрано не случайным образом. Энергия 8.2 кэВ в точности соответствует резонансному переходу для определенного состояния атомов меди, а именно для ионов Cu22+. Это атомы меди, которые в процессе экстремального нагрева лишились ровно 22 своих электронов.

Механика диагностики работает следующим образом. Оптический лазер попадает на мишень, температура начинает стремительно расти, и атомы меди теряют электроны один за другим. Когда локальная температура плазмы достигает примерно 500 электронвольт, количество ионов Cu22+ в объеме вещества становится максимальным. Если в этот конкретный момент через плазму проходит рентгеновский импульс XFEL, ионы Cu22+ интенсивно поглощают фотоны с энергией 8.2 кэВ, после чего сразу же переизлучают их обратно. Физики называют этот процесс резонансной рентгеновской эмиссией.

Задавая разную задержку по времени между ударом оптического лазера и зондирующим рентгеновским импульсом, детекторы фиксировали уровень этого вторичного свечения. В результате исследователи получили точный временной график эволюции конкретного зарядового состояния внутри непрозрачного материала.

Локализация ионизации и барьер электромагнитных полей

Полученные спектроскопические данные продемонстрировали четкую временную динамику. Интенсивность свечения (и, соответственно, концентрация ионов Cu22+) начинает регистрироваться через 0.5 пикосекунды после начала воздействия, достигает своего абсолютного пика через 2.5 пикосекунды, после чего процесс идет на спад. Снижение интенсивности свечения в течение последующих 10 пикосекунд указывает на процесс рекомбинации — плазма начинает остывать, и ионы постепенно захватывают свободные электроны обратно.

Однако наиболее значимый результат был получен при анализе пространственного распределения поглощенной энергии. Одновременное измерение того, сколько рентгеновского излучения поглотилось и сколько переизлучилось, позволило определить точные границы зоны экстремального нагрева.

Выяснилось, что процесс сверхвысокой ионизации не проникает глубоко внутрь мишени. Горячие электроны, получившие энергию от оптического лазера на поверхности проволоки, начинают движение от точки взаимодействия с околосветовой скоростью. Поскольку электроны уходят, а тяжелые положительно заряженные ядра остаются на месте, возникает резкое разделение зарядов. Это пространственное разделение зарядов мгновенно генерирует сильнейшие продольные электромагнитные поля на границе плазмы.

Возникшие электромагнитные поля физически препятствуют дальнейшему разлету большей части электронов, разворачивая их траектории обратно к поверхности мишени. В результате этого механизма основная тепловая энергия оказывается запертой в тонком поверхностном слое. Данные эксперимента показали, что глубина ионизации до состояния Cu22+ составляет всего 1.5-2 микрометра. Внутренний объем десятимикрометровой медной проволоки при этом не испытывает столь радикального нагрева и сохраняет иную плотность и структуру.

Проблема теоретического моделирования

Результаты, полученные на установке XFEL, позволили выявить критические недостатки в существующих методах математического моделирования экстремальных состояний вещества. До этого эксперимента поведение плазмы предсказывалось в основном с помощью моделей локального термодинамического равновесия (LTE). Эти математические алгоритмы исходят из того, что энергия распределяется между частицами предсказуемо, а характеристики плазмы можно усреднить для каждого отдельного участка объема.

При попытке описать данный эксперимент с помощью стандартных моделей LTE вычислительные системы выдавали неверный результат. Программа показывала, что температура на поверхности достигает аномальных 12 кэВ, а процесс ионизации уходит вглубь мишени на 5-7 микрометров. То есть модель предполагала полное прогревание большей части объекта, что прямо противоречило физическим измерениям рентгеновской спектроскопии.

Совпадение расчетов с реальными экспериментальными данными было достигнуто только после применения моделей без локального термодинамического равновесия (NLTE). В алгоритмах NLTE используется вероятностный подход для каждой отдельной частицы, учитывающий кинетику столкновений и наличие больших групп нетермальных электронов, чья энергия сильно превышает средние показатели среды. Именно этот сложный и требующий огромных вычислительных мощностей подход смог точно рассчитать возникновение поверхностного слоя толщиной 1.5 микрометра и корректно описать реальное время жизни зарядовых состояний. Так эксперимент доказал недопустимость использования упрощенных равновесных алгоритмов при работе с короткоимпульсными лазерами высоких интенсивностей.

Прикладное значение: от фундаментальной науки к энергетике

На сегодняшний день это одно из самых перспективных направлений по созданию чистой энергии.

В установках инерциального синтеза реакция запускается путем одновременного облучения сферической мишени (капсулы с дейтерием и тритием) массивом сверхмощных лазеров. Поглощение лазерной энергии оболочкой капсулы приводит к ее мгновенному испарению и образованию плазмы. По закону сохранения импульса испаряющийся наружу материал создает очень высокое давление, которое сжимает внутреннее топливо до плотностей, достаточных для запуска термоядерного синтеза.

Главным условием для успешного сжатия является строгая симметрия процесса. Если математические модели, на которых базируется конструкция капсулы, неверно предсказывают физику поглощения энергии в первые пикосекунды, сжатие пройдет неравномерно. Завышение глубины нагрева в расчетах или неправильное понимание динамики электронных полей приводит к микроскопическим нестабильностям, которые разрушают целостность ядра до того, как реакция успеет поддержать саму себя.

Объединение высокоинтенсивных оптических лазеров с методами рентгеновского зондирования предоставляет физикам очень точный инструмент верификации. Полученные на XFEL спектроскопические данные становятся эталоном, по которому будут корректироваться гидродинамические и кинетические алгоритмы программного обеспечения. Настройка теоретических моделей по объективным пространственно-временным измерениям позволяет устранить погрешности в конструировании мишеней следующего поколения, тем самым повышая общую эффективность термоядерных установок и снижая количество неудачных запусков реакторов.

Источник:Nature Communications