Ученые из Корейского института термоядерной энергии, где находится ядерный реактор, известный как эксперимент Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR), объявили, что им удалось поддерживать плазму при температуре 100 миллионов градусов в течение 30 секунд. Такая стабильность плазмы при очень высоких температурах указывает на то, что мы можем быть близки к созданию жизнеспособного термоядерного реактора.
Ядерный синтез становится одной из наиболее перспективных технологий для создания энергии будущего без парниковых газов. Являясь «чистой», безопасной (нет риска утечки реакции) и устойчивой (количество необходимого топлива практически неограниченно) формы энергии, энергия ядерного синтеза может произвести настоящую революцию в этом секторе и внести положительный вклад в борьбу с изменением климата. Однако воссоздать на Земле реакцию, происходящую в сердце звезд, не так-то просто…
Несмотря на десятилетия исследований, даже самые современные установки с трудом удерживают ионизированную материю при температуре выше 100 миллионов градусов в течение нескольких десятков секунд, что является обязательным условием для протекания реакции синтеза и получения энергии. Команда эксперимента KSTAR объявила о новом прорыве в этой области: «Благодаря обилию быстрых ионов, стабилизирующих турбулентность центральной плазмы, мы генерируем плазму при температуре 100 миллионов Кельвинов, которая длится до 20 секунд без нестабильности краев плазмы или накопления примесей«, — резюмируют исследователи в журнале .
Манипулирование магнитным полем для повышения стабильности
Эксперимент KSTAR установил свой первый мировой рекорд в 2016 году, когда ему удалось поддерживать плазму при температуре 50 миллионов градусов в течение 70 секунд. Отметка в 100 миллионов градусов была преодолена в 2018 году, когда эксперимент длился всего 1,5 секунды. Но команда работает над увеличением этого времени, поддерживая плазму при той же температуре в течение 8 секунд в 2019 году и 20 секунд в 2020 году. Усовершенствованная технология управления плазмой и оптимизированные условия магнитного поля позволили им, наконец, поддерживать чрезвычайно горячую плазму в течение 30 секунд.
Для удержания плазмы (поскольку при контакте со стенками реактора она охлаждается и реакция останавливается) используется несколько методов. Большинство экспериментальных установок полагаются на магнитное удержание, которое достигается в токамаке; другие используют инерционное удержание. В KSTAR, строительство которого было завершено в 2007 году, используется магнитное удержание — это один из первых токамаков, в котором используются тороидальные и полоидальные сверхпроводящие магниты.
Можно использовать различные формы магнитных полей. В некоторых экспериментах используется так называемый краевой транспортный барьер (КТБ) — «барьер» вокруг плазмы, который вызывает резкое снижение давления у стенки реактора, препятствуя выходу тепла и плазмы. Другие используют внутренний транспортный барьер (ВТБ), который создает более высокое давление вблизи центра плазмы. Однако оба подхода могут порождать изрядную долю нестабильности.
Южнокорейская команда испытала новую технику, модифицировав ИТБ таким образом, чтобы плотность плазмы была намного ниже. Результатом такого подхода стало повышение температуры в ядре плазмы и понижение ее на периферии — что, вероятно, продлит срок службы компонентов реактора. «Этот режим редко подвержен возмущениям и может надежно поддерживаться даже без сложного управления, и поэтому представляет собой перспективный путь к коммерческим термоядерным реакторам«, — пишут исследователи.
Цель — 300 секунд в 2026 году
Плотность плазмы ниже, чем в других экспериментах по термоядерной реакции, но это компенсируется более высокой температурой ядра. По мнению команды, низкая плотность плазмы в сочетании с умеренной входной мощностью является ключом к установлению желаемого режима путем сохранения высокой доли «быстрых» (или более энергичных) ионов, которые помогают стабилизировать плазму — подход, названный «усиление с помощью быстрых ионов» (FIRE).
Реакция останавливалась через 30 секунд из-за аппаратных ограничений, но в будущем это время можно будет увеличить. Цель — поддерживать плазму при температуре 100 миллионов градусов в течение 300 секунд к 2026 году, сообщает Business Korea. Для этого планируется усовершенствовать источник энергии и заменить углеродные компоненты стенки на вольфрамовые, чтобы предотвратить повышение температуры внутренней стенки.
Следует отметить, что рекорд по времени поддержания плазмы в настоящее время принадлежит китайскому экспериментальному сверхпроводящему токамаку (EAST), который в декабре 2021 года поддерживал плазму при температуре 70 миллионов градусов более 17 минут (1056 секунд). Совсем недавно европейский токамак (Joint European Torus или JET), установленный в Оксфорде, также побил рекорд, выработав беспрецедентное количество энергии: 59 мегаджоулей в течение пяти секунд.
Несмотря на эти достижения, все еще существуют большие неопределенности относительно того, как эта физика может быть адаптирована к более крупным устройствам, таким как электростанции. В частности, необходимо найти способ эффективного отбора тепла из реактора, иначе такие установки будут просто бесполезны.