22 мая завершилась очередная экспериментальная кампания на самом мощном в мире устройстве для изучения ядерного синтеза стеллараторного типа. Благодаря сотрудничеству исследователей из Европы и США, на установке Wendelstein 7-X был достигнут ряд важных результатов, включая мировой рекорд по ключевому параметру физики синтеза — тройному произведению. Это значение превысило предыдущие показатели токамаков при длительных плазменных разрядах.
На пути к термоядерной электростанции
Стеллараторы являются одними из наиболее перспективных концепций на пути к созданию термоядерной электростанции. В будущем они могут генерировать полезную энергию путём слияния лёгких атомных ядер. Эта реакция должна происходить в плазме — горячем газе из ионизированных частиц, нагретых до десятков миллионов градусов Цельсия.
Принцип работы стеллараторов
Стеллараторы используют магнитное удержание плазмы: плазма удерживается сложным и мощным магнитным полем, плавая внутри вакуумной камеры в форме бублика. Институт Макса Планка по физике плазмы (IPP) в Грайфсвальде при поддержке европейского консорциума EUROfusion управляет крупнейшим и наиболее мощным экспериментом такого рода — установкой Wendelstein 7-X (W7-X).
W7-X призван продемонстрировать, что стеллараторы могут на практике достичь выдающихся свойств, предсказанных теорией, и таким образом претендовать на роль концепции для будущих термоядерных электростанций.
Рекордные результаты
В рамках кампании OP 2.3, завершившейся 22 мая, международная команда W7-X достигла нового мирового рекорда по тройному произведению при длительных плазменных разрядах: в последний день они поддерживали пиковое значение этого ключевого параметра синтеза в течение 43 секунд. Таким образом, Wendelstein 7-X превзошёл лучшие показатели устройств типа токамак при более длительных плазменных разрядах.
Сравнение с токамаками
Токамаки также используют магнитное удержание, но они гораздо лучше изучены из-за своей более простой конструкции. Наивысшие значения тройного произведения были достигнуты на японском токамаке JT60U (выведен из эксплуатации в 2008 году) и на европейской установке JET в Великобритании (выведена из эксплуатации в 2023 году).
Хотя при коротких плазменных разрядах в несколько секунд токамаки остаются явными лидерами, по длительности плазменных разрядов, что важно для будущей электростанции, Wendelstein 7-X теперь впереди, даже несмотря на то, что у JET был в три раза больший объём плазмы. Размер значительно облегчает достижение высоких температур в термоядерных реакторах.
Профессор доктор Томас Клингер, руководитель операций на Wendelstein 7-X и руководитель отдела динамики стелларатора и переноса в IPP, сказал: «Новый рекорд — это огромное достижение международной команды. Он впечатляюще демонстрирует потенциал Wendelstein 7-X. Повышение тройного произведения до уровня токамаков при длительных импульсах плазмы знаменует собой ещё одну важную веху на пути к созданию стелларатора, пригодного для использования в качестве электростанции».
Ключевая роль нового инжектора гранул
Новый инжектор гранул (более подробно об этом в конце статьи) играет ключевую роль, впрыскивая замороженные гранулы водорода в плазму, что позволяет поддерживать длительные плазменные разряды за счёт непрерывной дозаправки. Министерство энергетики США (DOE) разработало в Ок-Риджской национальной лаборатории (ORNL) в Теннесси этот высокосовершенный и уникальный в мире инжектор, который успешно введён в эксплуатацию на Wendelstein 7-X.
Во время рекордного эксперимента было введено около 90 замороженных гранул водорода размером около миллиметра каждая в течение 43 секунд, в то время как мощные микроволны одновременно нагревали плазму. Точная координация между нагревом и впрыском гранул имела решающее значение для достижения оптимального баланса между мощностью нагрева и подачей топлива.
Профессор доктор Роберт Вольф, руководитель отдела нагрева и оптимизации стелларатора в IPP, резюмирует: «Рекорды этой экспериментальной кампании — это гораздо больше, чем просто цифры. Они представляют собой значительный шаг вперёд в подтверждении концепции стелларатора, ставший возможным благодаря выдающемуся международному сотрудничеству».
Тройное произведение, также известное как критерий Лоусона, является ключевым показателем успеха на пути к созданию термоядерной электростанции. Только когда будет превышен определённый порог, плазма сможет производить больше энергии синтеза, чем затрачено на нагрев. Это момент, когда энергетический баланс становится положительным, и реакция синтеза может поддерживаться без постоянного внешнего нагрева.
С сентября 2024 года новый непрерывно работающий инжектор гранул успешно используется. Он был разработан в Ок-Риджской национальной лаборатории, исследовательском центре Министерства энергетики США, специально для Wendelstein 7-X, и устанавливает глобальный эталон в своей категории.
Инжектор гранул обеспечивает постоянную подачу водородных частиц в плазму — важнейшее требование для будущих термоядерных электростанций. Устройство непрерывно формирует нить замороженного водорода диаметром 3 миллиметра, из которой с интервалом в доли секунды вырезаются цилиндрические гранулы длиной 3,2 миллиметра и выстреливаются в плазму со скоростью от 300 до 800 метров в секунду.