Температуры свыше 10 000 °C и град заряженных частиц из термоядерного топлива (плазмы) — это экстремальные условия, которые должна выдерживать стенка выхлопных газов (дивертор) будущих термоядерных электростанций.
Управление потоком выхлопных газов является одной из главных задач на пути к созданию чистых, безопасных и доступных коммерческих термоядерных электростанций.
Первоначальные исследования концепции уже показывают, что конструкция дивертора «Super-X» может уменьшить тепловые нагрузки более чем в десять раз по сравнению с традиционными конструкциями. Новые экспериментальные результаты поднимают эти первоначальные наблюдения на новый уровень, демонстрируя ключевые преимущества для термоядерных электростанций: улучшенный контроль мощности выхлопных газов при сохранении баланса инженерной сложности.
MAST Upgrade, национальный термоядерный эксперимент Великобритании, был специально создан Управлением по атомной энергии Великобритании (UKAEA) для разработки решений по управлению термоядерными выбросами.
Конструкция Super-X, разработанная на основе концепции, созданной Институтом термоядерных исследований при Техасском университете в Остине, имеет более длинный дивертор с удлинёнными «ножками» плазмы по сравнению с традиционными конструкциями, что обеспечивает больше пространства для охлаждения плазмы перед тем, как она достигнет стенок дивертора.
Новые результаты являются первыми в мире: на MAST Upgrade исследователи показали, что подход Super-X обеспечивает контроль за выхлопными газами без воздействия на противоположный дивертор или ядро плазмы, где производится термоядерная энергия. Исследователи показывают, что значительно проще контролировать желаемые, более мягкие условия в конфигурации Super-X по сравнению с традиционными конструкциями.
Это повышает уверенность в достижении подходящего решения для управления выхлопными газами для термоядерных электростанций и основывается на предыдущих выводах о том, что конфигурация Super-X на MAST Upgrade облегчает интеграцию ядра горячей плазмы с холодными условиями в диверторах.
Эксперименты также показали, что даже скромная модификация «ножек» дивертора по сравнению с традиционной «коротконогой» конструкцией уже даёт значительные преимущества в управлении термоядерным теплом. Это согласуется с прогнозами компьютерных моделей, которые демонстрируют улучшенное понимание конструкции дивертора.
Результаты по физике и инженерным аспектам дивертора Super-X были опубликованы в Communication Physics и Nature Energy. Голландские термоядерные исследователи Кевин Верхаэг (ранее работавший в Управлении по атомной энергии Великобритании, в настоящее время — в ТУ/е) и Боб Кул (голландский исследовательский институт DIFFER и ТУ/е) возглавляли работу в сотрудничестве между UKAEA и европейскими исследовательскими группами EUROfusion. Исследование основано на совместных усилиях сообщества диверторов, например, в экспериментах на швейцарской термоядерной установке TCV.
Верхаэг, исследовательская группа ТУ/е «Наука и технология ядерного синтеза», говорит: «Эти результаты являются хорошим предзнаменованием для различных будущих проектов, таких как британский STEP, американский ARC и европейский DEMO. Мы смогли показать, что даже скромная, но стратегическая модификация дивертора уже может предложить многие преимущества более экстремальных геометрий дивертора. Поскольку такие экстремальные геометрии сложнее реализовать на электростанции, эти результаты открывают новые пути для улучшения конструкции будущих термоядерных установок».
Кул, DIFFER и ТУ/е, исследовательская группа «Технологии управления», говорит: «Эти результаты ясно демонстрируют многочисленные преимущества, которые альтернативные диверторы могут предложить для поддержания приемлемых условий в диверторах термоядерных электростанций. Это важный шаг в решении проблемы выхлопных газов и, в конечном счёте, приближает нас к реализации термоядерной энергии».
Джеймс Харрисон, руководитель отдела науки MAST Upgrade, UKAEA, говорит: «Демонстрация того, что условия плазмы в диверторах MAST Upgrade можно контролировать независимо, является важным шагом вперёд в разработке надёжного контроля плазменного выхлопа в будущих установках».