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.
![](assets/images/post/6455ed39cc54e_54-2.jpg)
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.