Инерциальное удержание (ИУ) представляет собой метод достижения термоядерного синтеза путем быстрого сжатия плазмы до высоких температур и плотностей, при которых вероятны реакции слияния ядер. В отличие от магнитного удержания, где плазма удерживается длительное время магнитными полями, в ИУ основной упор делается на инерцию вещества, препятствующую его рассеянию в течение крайне короткого промежутка времени.
Ключевой принцип ИУ заключается в том, что если плазма сжата достаточно быстро и сильно, она сохраняет высокую плотность и температуру до тех пор, пока не успеет рассеяться. Временной масштаб удержания определяется формулой:
$$ \tau \sim \frac{R}{v_{\text{расс}}} $$
где R — характерный размер плазменного объема, vрасс — скорость рассеяния вещества.
Лазерное сжатие Используются интенсивные лазерные импульсы для симметричного облучения сферического топлива (обычно смесь дейтерия и трития). Лазерная энергия преобразуется в ударную волну, которая сжимает оболочку капсулы и индуктивно сжимает плазму внутри.
Ключевые параметры:
Импульсное сжатие с помощью мощных электрических токов Использование зипперов, пулевых линий и токовых импульсов для быстрого сжатия плазменного цилиндра или сгустка. Энергия тока создает магнитное поле, сжимающее плазму (магнито-инерциальное удержание).
Взрывчатое сжатие (на малых масштабах) Применяется в экспериментальных установках для моделирования условий инерциального удержания. Взрывчатка создает сильную ударную волну, сжимающую сферическую капсулу с топливом.
При инерциальном удержании плазма проходит несколько этапов:
Фундаментальная задача — обеспечить согласованность времени сжатия и времени удержания. Показатель, характеризующий эффективность сжатия, — параметр ρR (плотность топлива × радиус капсулы), который должен превышать критическое значение для самоподдерживающейся реакции. Для дейтерий-тритиевого топлива:
ρR ≳ 0.3 г/см².
Ключевым ограничением ИУ являются неустойчивости Релея–Тейлора и Кельвина–Гельмгольца, возникающие на интерфейсах разной плотности при ускорении. Эти неустойчивости приводят к смешиванию оболочки и топлива, что снижает эффективность сжатия.
Методы подавления:
Для инерциального удержания эффективность определяется тремя параметрами, известными как триада Лоффлера–Мура:
Эффективность синтеза определяется так называемым параметром Гринса:
G = ρRT2 ,
где более высокие значения соответствуют большей вероятности достижения положительного энергетического баланса.
Инерциальное удержание является крайне перспективным для термоядерного синтеза на Земле, но сталкивается с рядом проблем:
Тем не менее, ИУ позволяет достигать плотностей и температур, недостижимых для магнитного удержания, что делает его незаменимым инструментом для исследования экстремальных состояний материи и создания альтернативных источников энергии.