Модернизация корейского термоядерного реактора «Искусственное Солнце» принесла новый впечатляющий результат: новые компоненты способны лучше справляться с высокими температурами и поддерживать вращающийся шар плазмы при температуре 100 миллионов градусов Цельсия в течение почти 50 секунд. Это на почти 20 секунд больше, чем предыдущий показатель корейского сверхпроводящего реактора Токамак для продвинутых исследований (KSTAR), который в последние годы установил несколько собственных рекордов продолжительности создания и удержания экстремально горячей плазмы в своем донутеобразном корпусе.
При температуре 100 миллионов градусов Цельсия тяжелые изотопы водорода в плазме (это горячее облако ионизированного газа) принуждены сливаться вместе, высвобождая энергию аналогично тому, что происходит в ядре Солнца. Однако задача ядерного синтеза, обещающего более чистую и практически безграничную энергию, состоит в том, чтобы удерживать эту извивающуюся петлю плазмы с помощью магнитных полей.
Последний результат KSTAR впечатляет, поскольку он сталкивается с некоторыми ключевыми проблемами на пути к использованию термоядерной энергии, хотя другие термоядерные реакторы того же технологического уровня расширяют границы еще дальше.
Проходя через новые компоненты, KSTAR открывает путь к Международному термоядерному экспериментальному реактору (ITER), который может стать крупнейшим в мире термоядерным реактором токамак, если ему удастся преодолеть финансовые и технические препятствия.
Новый рекорд KSTAR, объявленный Корейским институтом термоядерной энергетики (KFE), обусловлен модернизацией дивертора реактора в 2023 году — компонента, который выдерживает самые высокие температуры внутри реактора и удаляет отработанные продукты.
Дивертор KSTAR теперь сделан из вольфрама, который имеет очень высокую температуру плавления, но не впитывает плазменное топливо, как губка, и не реагирует с ним, как делали предыдущие диверторы на основе углерода. Установка новых диверторов была завершена в прошлом году, что помогло увеличить рекордное время термоядерного синтеза KSTAR до 48 секунд за последний трехмесячный запуск, в сравнении с 30 секундами в 2021 году.
«Несмотря на то, что это был первый эксперимент, проведенный с новыми вольфрамовыми диверторами, тщательное тестирование оборудования и подготовка кампании позволили нам достичь результатов, превосходящих предыдущие рекорды KSTAR за короткий срок», — сказал Си-Ву Юн, директор Исследовательского центра KSTAR. Однако работоспособность дивертора при температурах, в семь раз превышающих температуру Солнца, нужно было еще доказать; в этом нельзя было быть уверенными.
Исследователи KFE ожидали, что он будет работать так же, как дивертор на основе углерода, но существовал риск, что вольфрам расколется или новая установка не сможет генерировать плазму. Изменился не только материал дивертора, но и его форма. Новый вольфрамовый дивертор KSTAR имеет U-образную форму, а не прямую, как предыдущий карбоновый компонент.
«В начале кампании температура внутренней стенки токамака не поднималась должным образом», — говорит физик KFE Хенсок Ким, но исследователи смогли быстро приспособиться к новым условиям эксплуатации, чтобы управлять плазмой магнитными полями. Вольфрамовый дивертор не был единственным обновлением, которое помогло улучшить характеристики KSTAR.
Исследователи KFE, сотрудничающие с Принстонской лабораторией физики плазмы Министерства энергетики США, описали, как они нашли способ стабилизировать слабые места на границах плазмы, вызванные малыми дефектами в магнитных катушках, удерживающих плазму на месте.
Это улучшение привело к второй важной вехе — удержанию плазмы в высокоэффективном состоянии, называемом «H-режимом», в течение 102 секунд. Предыдущие попытки были ограничены несколькими секундами, после чего производительность резко упала.
В идеале полностью функционирующая термоядерная электростанция должна работать при критических температурах в H-режиме в течение периодов, достаточных для выработки устойчивого источника энергии. Эти достижения представляют собой значительный шаг к этой цели.
Хён Сон Хан, физик плазмы из исследовательской группы высокопроизводительных сценариев KFE, говорит, что в настоящее время команда рассматривает последнюю партию экспериментальных данных, которые будут использованы в подготовке ITER, собирают результаты для публикации и планируют следующую кампанию.
Хан надеется, что вскоре они смогут преодолеть 50-секундный порог на пути к конечной цели проекта — достижению 300 секунд работы плазмы с температурой более 100 миллионов градусов к концу 2026 года.
Это в шесть раз дольше, чем текущий рекорд KSTAR, и все же на несколько минут короче, чем у китайского экспериментального усовершенствованного сверхпроводящего токамака (EAST), который в апреле прошлого года мог генерировать и поддерживать плазму в течение почти семи минут.
Но для запуска термоядерных реакторов и генерации плазменных реакций в течение хотя бы нескольких секунд требуется огромное количество энергии, поэтому до их способности генерировать большое количество чистой энергии осталось еще несколько десятилетий.
Ранее американские инженеры достигли важной точки в лабораториях Центра науки о плазме и термоядерном синтезе Массачусетского технологического института (PSFC), когда новый тип магнита, изготовленный из высокотемпературного сверхпроводящего материала, достиг мирового рекорда по магнитным полям. Напряженность поля для крупногабаритного магнита достигла 20 Тесла (Тл). Именно такая интенсивность необходима для строительства термоядерной электростанции, которая, как ожидается, будет производить чистую мощность и потенциально откроет эру практически безграничного производства энергии.