Магнито-инерциальный синтез (МИС) представляет собой метод термоядерного синтеза, сочетающий элементы магнитного и инерционного удержания плазмы. Основная цель МИС — создание условий, при которых легкие ядра сливаются с выделением энергии, аналогичной реакции в звездах, но в лабораторных масштабах.
МИС объединяет две ключевые идеи: магнитное удержание плазмы, которое препятствует быстрым потерям тепла, и инерционное сжатие, обеспечивающее достижение высоких температур и плотностей на короткое время. Это сочетание позволяет снижать требования к плотности и энергии сжатия по сравнению с чистым инерционным синтезом и одновременно уменьшать потери энергии на поддержание магнитного поля, как в токамаках.
В МИС плазма помещается в магнитное поле, которое служит для уменьшения теплопроводности электронов и удержания заряженных частиц. При сжатии плазмы магнитное поле усиливается согласно закону сохранения магнитного потока:
$$ B \sim \frac{1}{R^2} $$
где B — магнитная индукция, R — характерный размер плазменного объема. Увеличение магнитного поля при сжатии уменьшает теплопроводность и позволяет достичь более высоких температур при меньшем внешнем воздействии.
Для термоядерного синтеза ключевыми параметрами являются плотность n и температура T плазмы. Энергия, выделяемая в реакции D–T (дейтерий–тритий), пропорциональна произведению этих величин и времени удержания плазмы τ:
nTτ ≥ const (критерий Лоуса)
В МИС время удержания τ невелико (порядка наносекунд — микросекунд), однако высокие плотности (1022 − 1025 см−3) компенсируют короткое удержание.
Лазеры высокой мощности создают короткие, интенсивные импульсы, которые равномерно сжимают мишень с плазмой. Магнитное поле, присутствующее в мишени, уменьшает теплопроводность электронов, что снижает потери энергии и позволяет достичь условий синтеза при меньшей мощности лазеров.
Другой метод — применение внешнего тока через плазму или проводящий слой вокруг мишени. Это создает магнитное давление, которое ускоряет сжатие и дополнительно нагревает плазму через джоулево тепло. Такой подход известен как Z-пинч с магнитной поддержкой.
На практике часто используют сочетание лазерного импульса и внешнего магнитного поля, что позволяет контролировать форму сжатия и минимизировать гидродинамические неустойчивости, такие как Релея–Тейлора.
Ключевой параметр эффективности МИС — отношение энергии, выделяемой в реакции синтеза, к энергии, затраченной на сжатие и нагрев плазмы:
$$ Q = \frac{E_{\text{выход}}}{E_{\text{затраты}}} $$
Использование магнитного удержания позволяет сократить энергию затрачиваемую на сжатие, что повышает Q по сравнению с чисто инерционными методами. При этом типичные параметры для D–T плазмы:
Гидродинамическая неустойчивость Сжатие плазмы может сопровождаться развитием неустойчивостей, которые разрушают симметрию импульса и снижают эффективность синтеза.
Сопротивление материала мишени Материалы мишени испытывают огромные давления и температуры, что требует разработки специальных композитов или жидких мишеней.
Контроль магнитного поля Для достижения равномерного сжатия магнитное поле должно быть стабильным и симметричным, что сложно реализовать на наносекундных масштабах.
Теплопроводность и потери энергии Несмотря на присутствие магнитного поля, потери энергии на теплопроводность и излучение остаются значительными, что требует оптимизации конфигурации сжатия.
МИС рассматривается как промежуточная технология между инерционным и магнитным синтезом, позволяющая достигать условий термоядерного горения при меньших энергозатратах. Потенциальные области применения:
Эта технология активно развивается в рамках лабораторий, экспериментирующих с сверхинтенсивными лазерами, высокомагнитными установками и быстрыми импульсами тока.