22 мая завершилась очередная экспериментальная кампания на самом мощном в мире устройстве для изучения ядерного синтеза типа стелларатор — Wendelstein 7-X. 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 рекорды, достигнутые на токамаках при длительных удержаниях плазмы.
На пути к созданию 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 стелларатора
Стеллараторы используют магнитное удержание плазмы: плазма удерживается сложным и мощным магнитным полем, плавающим 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 на установке 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.
Рекорд по тройному произведению
В рамках кампании OP 2.3, завершившейся 22 мая, международная команда W7-X установила новый мировой рекорд по тройному произведению при длительных удержаниях плазмы: в последний день кампании 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 удержаниях плазмы, несмотря на то, что у JET был в три раза больший объём плазмы.
Токамаки также используют магнитное удержание, но они гораздо лучше изучены из-за 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).
При коротких удержаниях плазмы в несколько секунд токамаки остаются явными лидерами. Однако по длительности удержаний плазмы, что важно для будущей электростанции, Wendelstein 7-X теперь впереди, 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, говорит: «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».
Новый мировой рекорд по тройному произведению при длительных импульсах стал возможен благодаря тесному сотрудничеству между европейской командой Wendelstein 7-X в Грайфсвальде и партнёрами из США.
Ключевая роль нового инжектора гранул
Ключевую роль сыграл новый инжектор гранул, который впрыскивает замороженные гранулы водорода в плазму, обеспечивая длительные удержания плазмы за счёт непрерывной дозаправки. Национальная лаборатория Ок-Риджа (ORNL) Министерства энергетики США (DOE) в Теннесси разработала этот высокотехнологичный и уникальный в мире инжектор и успешно ввела его в эксплуатацию на Wendelstein 7-X.
Во время рекордного эксперимента было введено около 90 замороженных гранул водорода размером примерно в миллиметр 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.
Метод переменной частоты импульсов
Впервые была применена схема работы инжектора гранул с переменной предварительно запрограммированной частотой импульсов — метод, выполненный с впечатляющей точностью. Этот метод имеет непосредственное отношение к будущим термоядерным реакторам и потенциально может продлить длительность удержаний плазмы до нескольких минут.
Использование гранул стало возможным благодаря предварительной работе, проведённой несколькими европейскими лабораториями, включая расчёты по моделированию в Центре энергетических, экологических и технологических исследований (CIEMAT) в Испании и наблюдения с помощью сверхбыстрых камер в Центре энергетических исследований HUN-REN в Будапеште.
Система микроволнового нагрева (точнее, электронный циклотронный резонанс) была разработана в сотрудничестве с Технологическим институтом Карлсруэ (KIT) и командой из Университета Штутгарта. Она считается наиболее перспективным методом для нагрева плазмы до температур, необходимых для синтеза.
Во время рекордного эксперимента температура плазмы была поднята до более чем 20 миллионов градусов Цельсия, достигнув пика в 30 миллионов градусов. Измерения для расчёта тройного произведения были предоставлены, среди прочего, Принстонской лабораторией физики плазмы, которая использует рентгеновский спектрометр для диагностики температуры ионов на W7-X.
Необходимые данные об электронной плотности были получены с помощью уникального в мире интерферометра IPP. Время удержания энергии, необходимое для расчёта тройного произведения, также было определено с помощью диагностических инструментов, разработанных в IPP.
Во время экспериментальной кампании OP 2.3 установка Wendelstein 7-X достигла ещё двух важных результатов.
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
Тройное произведение, также известное как критерий Лоусона, является ключевым показателем успеха на пути к созданию термоядерной электростанции. Только когда определённый порог превышен, плазма может производить больше энергии синтеза, чем затрачивается на нагрев. Это точка, когда энергетический баланс становится положительным, и реакция синтеза может поддерживаться без постоянного внешнего нагрева.
Для термоядерной электростанции требуемый порог составляет:
$n \cdot T \cdot \tau = 3 \times 10^{21} \, \text{м}^{-3} \, \text{кэВ} \cdot \text{с}$
Тройное произведение состоит из трёх факторов:
- $n$ — плотность частиц плазмы;
- $T$ — температура плазмы;
- $\tau$ — время удержания энергии.
С сентября 2024 года новый непрерывно работающий инжектор гранул успешно используется. Он был разработан в Национальной лаборатории Ок-Риджа, исследовательском центре Министерства энергетики США, специально для Wendelstein 7-X, и устанавливает глобальный эталон в своей категории.
Инжектор гранул обеспечивает постоянную подачу частиц водорода 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.
fusion power plant, stellarators are among the most promising concepts. In the future, they could generate usable energy by fusing light atomic nuclei. This reaction must take place in a plasma—a hot gas of ionized particles heated to many tens of millions of degrees Celsius.”,”Stellarators use magnetic confinement to hold the plasma: the plasma is trapped by a complex and powerful magnetic field, floating inside a donut-shaped vacuum chamber. With Wendelstein 7-X (W7-X), the Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP) in Greifswald, with support from the European fusion consortium EUROfusion, is operating the world’s largest and most powerful experiment of its kind.”,”W7-X is designed to demonstrate that stellarators can, in practice, achieve the outstanding properties predicted by theory—and thus qualify as a concept for future fusion power plants.”,”In the OP 2.3 campaign, which ended on May 22, the international W7-X team achieved a new world record for the triple product in long plasma discharges: on this last day, they sustained a new peak value of this key fusion parameter for 43 seconds. Wendelstein 7-X thus surpassed the best performances of fusion devices of the tokamak type for longer plasma durations.”,”Tokamaks also rely on magnetic confinement but are much better studied due to their simpler design. The highest values for the triple product were achieved by the Japanese Tokamak JT60U (decommissioned in 2008) and the European Tokamak facility JET in Great Britain (decommissioned in 2023).”,”With short plasma durations of just a few seconds, they remain the clear front-runners. In terms of longer plasma durations, which are important for a future power plant, Wendelstein 7-X is now ahead, even though JET had three times the plasma volume. Size makes it much easier to achieve high temperatures in fusion reactors.”,”\”The new record is a tremendous achievement by the international team. It impressively demonstrates the potential of Wendelstein 7-X. Elevating the triple product to tokamak levels during long plasma pulses marks another important milestone on the way toward a power-plant-capable stellarator,\” says Prof. Dr. Thomas Klinger, Head of Operations at Wendelstein 7-X and Head of Stellarator Dynamics and Transport at IPP.”,”The new triple product world record for long pulses was made possible by the close collaboration between the European Wendelstein 7-X team in Greifswald and partners from the U.S.”,”A key role was played by the new pellet injector (more details at the end of this article), which injects frozen hydrogen pellets into the plasma, enabling long plasma durations through continuous refueling. The U.S. Department of Energy’s (DOE) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Tennessee developed this highly sophisticated and globally unique injector and successfully put it into operation at Wendelstein 7-X.”,”During the record-setting experiment, about 90 frozen hydrogen pellets, each about a millimeter in size, were injected over 43 seconds, while powerful microwaves simultaneously heated the plasma. Precise coordination between heating and pellet injection was crucial to achieve the optimal balance between heating power and fuel supply.”,”The key was operating the pellet injector with variable pre-programmed pulse rates for the first time—a scheme executed with impressive precision. This method is directly relevant for future fusion reactors and can potentially extend plasma durations to several minutes.”,”The use of pellets was made possible thanks to preliminary work carried out by several European laboratories, including simulation calculations by the Center for Energy, Environmental and Technological Research (CIEMAT) in Spain and observations using ultra-fast cameras by the HUN-REN Center for Energy Research in Budapest.”,”The microwave heating system (more precisely: electron cyclotron resonance) was developed in collaboration with the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) and a team from the University of Stuttgart. It is considered the most promising method for bringing plasma to temperatures relevant for fusion.”,”In the record-breaking experiment, the plasma temperature was raised to over 20 million degrees Celsius, reaching a peak of 30 million degrees. Measurements to calculate the triple product were provided, among others, by Princeton Plasma Physics Laboratory, which operates an X-ray spectrometer for ion temperature diagnostics at W7-X.”,”The necessary electron density data came from IPP’s worldwide unique interferometer. The energy confinement time required for the triple product calculation was also determined using diagnostic tools developed at IPP.”,”During the OP 2.3 experimental campaign, Wendelstein 7-X achieved two further milestones:”,”Prof. Dr. Robert Wolf, Head of Stellarator Heating and Optimization at IPP, summarizes, \”The records of this experimental campaign are much more than mere numbers. They represent a significant step forward in validating the stellarator concept—made possible through outstanding international collaboration.\””,”The triple product—also known as the Lawson criterion—is the key metric for success on the path to a fusion power plant. Only when a certain threshold is exceeded can a plasma produce more fusion power than the heating power invested. This marks the point where the energy balance becomes positive, and the fusion reaction can sustain itself without continued external heating.”,”For a fusion power plant, the required threshold is:”,”n∙T∙𝜏 = 3 × 1021 m-3 keV s”,”The triple product is derived from three factors:”,”Since September 2024, the new continuously operating pellet injector has been successfully in use.”,”It was developed at Oak Ridge National Laboratory, a research center of the U.S. Department of Energy, specifically for Wendelstein 7-X, and it sets a global benchmark in its category.”,”The pellet injector ensures a steady supply of hydrogen particles into the plasma—a crucial requirement for future fusion power plants.”,”The device continuously forms a 3-millimeter-diameter strand of frozen hydrogen, from which 3.2-millimeter-long cylindrical pellets are cut at intervals of fractions of a second and fired into the plasma at speeds of 300 to 800 meters per second.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tMax Planck Institute for Plasma Physics\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from High Energy, Nuclear, Particle Physics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник