На корейском токамаке опробовали новый способ создания плазмы рекордной температуры

Согласно публикации в рецензируемом журнале Nature, физики из Южной Кореи смогли удерживать плазму с температурой свыше ста миллионов кельвинов более 20 секунд. Значения впечатляющие, но не рекордные. Ранее на этой же установке их уже достигали. И тогда в 2020 году это был непревзойденный результат. Но с тех пор «рукотворное солнце» в Поднебесной (китайский экспериментальный сверхпроводящий токамак, EAST) показало и более высокие температуры и удерживало их дольше.

Свежий отчет все равно заслуживает внимания. Во-первых, даже повторение уже достигнутых параметров плазмы — значимый результат. Такое получается далеко не всегда даже при строгом копировании условий предыдущего эксперимента. Во-вторых, уверенное превышение планки в 100 миллионов кельвинов — важная веха в развитии термоядерной энергетики. Такая температура плазмы считается минимально необходимой для запуска самоподдерживающейся реакции синтеза в токамаках (для других типов реакторов порог отличается). Наконец, в-третьих, условия нового эксперимента сильно отличаются от прежних и это важно.

С точки зрения удобства поддержания термоядерной реакции токамаки — не самый лучший выбор. Есть варианты установок, позволяющие управлять плазмой лучше. Однако тороидальные реакторы проще устроены и лучше изучены, так что их перспективы среди всех типов установок для управляемого термоядерного синтеза (УТС) наиболее радужные. Кроме того, по материалоемкости и объему камеры они почти оптимальны. Тем не менее, в камеру токамака можно поместить конечное количество атомов топлива. Поэтому эффективность реакции после вовлечения в нее всего объема дейтерия и трития получится поднять только наращивая температуру и как можно дольше сохраняя плазму чистой.

Установка KSTAR / ©Korea Institute of Fusion Energy

Загрязняет ее вещество, которое испаряется или выбивается отдельными ионами из стенок вакуумной камеры реактора. Эти примеси даже в крайне незначительных количествах ухудшает качество плазмы — понижает температуру и приводит к повышенной нестабильности ее характеристик. Существует несколько методов противостояния загрязнениям плазмы. Самый распространенный в установках с магнитным удержанием — «барьер пограничного транспорта» (ETB). Фактически, он обусловлен конструкцией токамаков и выражается в том, что во внешней области жгута плазмы перемещение ионов и электронов замедляется. Получается, что до стенок вакуумной камеры кроме нейтронов почти ничего не добирается.

Альтернативный метод не столько замещает ETB, сколько дополняет его — это «барьер внутреннего транспорта» (ITB). Для его реализации требуется более тонкое управление параметрами плазмы, чтобы в центральной части области реакции ее плотность была максимальна. Тогда стенок вакуумной камеры достигает еще меньшее количество вещества. Корейский токамак KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) использует именно ITB, причем в модифицированной его реализации. Более того, для последних экспериментов, в ходе которых удалось повторить рекорд, применялся метод FIRE — улучшение ускорения (нагрева) плазмы более точным контролем за быстрыми ионами.

Быстрыми называют те лишенные электронов ядра дейтерия и трития, которые несут большую часть энергии реакции. Хотя от общего объема вещества в реакторе их не более 5%, вклад таких ионов в энерговыделение можно смело называть решающим. Суть метода FIRE в том, что благодаря особо точному контролю за параметрами реакции, быстрые ионы собираются в самом центре жгута плазмы. Таким образом реализуется более полное применение ITB, а также повышается средняя температура вещества в токамаке.

Сейчас KSTAR проходит существенную модернизацию, чтобы ученые могли продолжить эксперименты. Проблема в том, что последний опыт пришлось остановить до того, как реактор показал максимальный результат — установка не позволяет держать горячую плазму дольше полуминуты. Причем часть этого времени тратится для выхода на рабочий режим, поэтому 100 миллионов градусов и продлились всего чуть дольше двух десятков секунд. Как только реактор снова заработает, на нем проведут повторный эксперимент для проверки метода FIRE. Уж слишком легко удалось повторить свой рекорд южнокорейским специалистам и теперь они интересуются — действительно ли они разработали новый способ повышения эффективности реакции, либо это везение.