WEST, вольфрамовый термоядерный реактор в Кадараше на юге Франции, установил новый рекорд, поддерживая сверхгорячую плазму (50 миллионов градусов Цельсия) в течение шести минут подряд. Хотя другие реакторы могут генерировать более высокие температуры, это самая длительная продолжительность поддержания плазмы при такой температуре на сегодняшний день. Таким образом, эксперимент представляет собой важный шаг на пути к коммерческому масштабированию чистой, устойчивой и практически неограниченной энергии.
Энергия ядерного синтеза — та же энергия, что питает Солнце, — является самым мощным источником энергии, который мы можем получить в среднесрочной перспективе. Мало того, что она производит примерно в 4 миллиона раз больше энергии на килограмм топлива, чем ископаемые виды топлива, она также не выделяет CO2 и других парниковых газов. Это делает его идеальным источником для достижения целей углеродной нейтральности.
С начала года происходят один прорыв за другим, включая рекордные плотности плазмы и температуры нагрева. Однако до того, как термоядерные реакторы будут доведены до коммерческого уровня, предстоит решить множество проблем. Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) и Французской комиссии по атомной энергии и альтернативным источникам энергии (CEA) совершили большой прорыв в этом направлении, создав вольфрамовый токамак WEST.
Устройство смогло поддерживать сверхгорячую плазму в течение 6 минут, что открывает путь к созданию реакторов длительного действия. «Нам нужен новый источник энергии, и этот источник должен быть непрерывным и постоянным«, — пояснил Ксавье Литодон, один из руководителей проекта и научный сотрудник CEA, в пресс-релизе PPPL. «Мы достигли устойчивого состояния, несмотря на сложные условия из-за вольфрамовой стенки«, — добавляет он.
Зажигание при температуре 50 миллионов градусов в течение 6 минут
WEST — это токамак площадью 2,5 квадратных метра с потолками такой же высоты. Для измерения плазменных «выстрелов» исследователи разработали новый инструмент, основанный на обнаружении рентгеновских лучей и встроенный непосредственно в реактор. Устройство, названное «многоэнергетической камерой мягкого рентгеновского излучения» (ME-SXR), позволяет напрямую оценивать свойства плазмы, например, фактическую температуру электронов в ее ядре (где температура наиболее высока).
Еще одно преимущество ME-SXR заключается в том, что его можно калибровать в зависимости от генерируемых уровней энергии. Предыдущие приборы были настроены на измерение потоков частиц, излучающих одинаковые уровни энергии. Эта методика позволяет получать данные, на которые иногда влияют помехи от радиочастотных волн, используемых для нагрева плазмы. Новый прибор, напротив, независимо измеряет все присутствующие энергетические уровни, так что результаты диагностики не искажаются помехами. «Этот детектор обладает уникальной способностью быть настроенным на измерение одной и той же плазмы с любым количеством энергии«, — объясняет Туллио Барбуи из PPPL.
Токамак поддерживал термоядерную плазму с температурой 50 миллионов градусов Цельсия в течение шести минут с 1,15 гигаджоулями вводимой энергии. Полученная энергия была на 15% выше, чем в предыдущих экспериментах, при вдвое большей плотности плазмы. «Во время шестиминутного зажигания мы смогли довольно точно измерить центральную температуру электронов. Она находилась в очень стабильном состоянии около 4 киловольт. Это весьма примечательный результат«, — говорит эксперт.
Вольфрамовые стенки для крупномасштабного использования
С другой стороны, предыдущая версия токамака (Tore Supra) имела несколько большее время зажигания. Однако его внутренняя часть была выложена графитовыми плитками, представляющими собой кристаллическую форму углерода. Хотя углеродные стенки обеспечивают лучший контроль над длительными расплавлениями, они плохо подходят для крупномасштабных реакторов, поскольку имеют тенденцию пропитываться топливом. Это не идеальный вариант, поскольку тритий из камеры реактора должен быть эффективно извлечен для повторного введения в плазму.
С другой стороны, вольфрам, по мнению исследовательской группы, более выгоден, поскольку он пропитывается гораздо меньшим количеством топлива. Однако «среда, в которой находятся вольфрамовые стенки, гораздо сложнее, чем углеродная«, — объясняет Луис Дельгадо-Апарисио, также сотрудник PPPL. Со стенок токамака в плазму мигрируют ничтожные количества элемента, что может перегрузить плазму примесями.
Эксперты утверждают, что смогут преодолеть эту проблему с помощью своего нового измерительного устройства, которое также оценивает плотность примесей в плазме. В конечном итоге это позволит разработать стратегии, позволяющие минимизировать количество вольфрама, мигрирующего в плазму, и тем самым оптимизировать ее энергетическую плотность.
Эти результаты должны позволить разработать более совершенные механизмы управления для ITER, гигантского токамака, строящегося рядом с WEST, который также изготовлен из вольфрама. По словам Дельгадо-Апарисио, успешные эксперименты с WEST будут напрямую применимы к ITER, который после завершения строительства станет крупнейшим автономным токамаком в мире. Следующий экспериментальный этап WEST начнется осенью этого года с установкой новых систем, говорится в пресс-релизе CEA.