Реакторы ядерного синтеза — это высокотехнологичные устройства, которые могут генерировать энергию путём слияния двух лёгких атомных ядер в одно более тяжёлое. Эти реакции синтеза высвобождают большое количество энергии, которое затем можно преобразовать в электричество без выброса парниковых газов.
Токамак — одна из самых надёжных и перспективных конструкций реакторов синтеза. Это устройства, в которых используется магнитное поле в форме бублика для удержания и нагрева плазмы (сверхгорячего электрически заряженного газа) в течение времени, необходимого для протекания реакций синтеза.
Несмотря на потенциал производства большого количества чистой энергии, будущие реакторы-токамаки могут столкнуться с серьёзными проблемами при управлении интенсивным теплом, выделяющимся в результате реакций синтеза. Некоторые части плазмы могут взаимодействовать со стенками реакторов, повреждая их и негативно влияя на их долговечность и производительность.
Исследователи из экспериментального токамака TCV в Федеральной политехнической школе Лозанны (EPFL) недавно обнаружили новую форму плазменного излучения, которая может предотвратить перегрев токамаков. Это позволит им отводить избыточное тепло и потенциально повысить их производительность с течением времени.
Новое решение, которое они предложили и назвали X-point target radiator (XPTR), было представлено в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
«Снижение тепловой нагрузки на дивертор является ключевой задачей для будущих термоядерных электростанций», — сказал Кеннет Ли, первый автор статьи, в интервью Phys.org. «Одним из перспективных подходов является использование радиатора X-точки, который рассеивает энергию плазмы вблизи X-точки, но масштабируемость этого подхода неопределённа из-за его близости к активной зоне. Мы экспериментально исследуем эффект добавления вторичной X-точки вдоль канала дивертора, чтобы расширить рабочий диапазон и сохранить удержание плазмы в активной зоне — концепция, известная как X-point target divertor».
В токамаках X-точка — это место, где магнитные силовые линии проходят исключительно по тороидальному направлению, что играет центральную роль в формировании плазмы и отводе тепла от активной зоны через узкую магнитную воронку, известную как «дивертор». Радиаторы X-точки — это условия работы плазмы, при которых большая часть тепла плазмы преобразуется в равномерное излучение вблизи X-точки.
В своей статье Ли и его коллеги проводят эксперименты по внедрению ещё одной X-точки вдоль дивертора, расположенного за пределами зоны удержания плазмы. Добавление этой вторичной X-точки может дополнительно способствовать отводу избыточного тепла, предотвращая повреждение токамака и повышая его долговечность.
«Мы используем уникальную гибкость магнитного формирования токамака TCV, чтобы ввести вторичную X-точку, и обнаружили локализованное излучение („XPTR“) вдали от активной зоны плазмы, которое сохраняет производительность активной зоны при значительном снижении тепловой нагрузки на дивертор», — пояснил Ли. «Мы обнаружили, что X-point target radiator обладает высокой стабильностью и может поддерживаться в широком диапазоне условий эксплуатации, потенциально предлагая гораздо более надёжный метод управления отводом энергии в термоядерной электростанции».
В ходе первоначальных испытаний подход, предложенный исследователями, показал себя весьма эффективным, отводя избыточное тепло от плазмы, удерживаемой магнитным полем, более эффективно, чем традиционные установки.
Эта новая конфигурация с X-точкой планируется к реализации в токамаках нового поколения, разрабатываемых Commonwealth Fusion Systems в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом (MIT).
«Мы проводим новые эксперименты на высоких мощностях, чтобы изучить диапазон параметров X-point target radiator, дополняя их современными численными симуляциями, чтобы лучше понять его основные физические механизмы», — добавил Ли. «Термоядерная установка нового поколения SPARC планирует включить X-point target divertor в свою базовую конструкцию, что делает наши выводы своевременными и важными».