Специалисты из Южной Кореи, работающие в области физики плазмы, сообщили о результатах нового эксперимента, проведенного на установке KSTAR перед ее обновлением. Формально достигнутые показатели соответствуют предыдущим рекордам, и для экспертов, следящих за развитием термоядерных технологий, они не покажутся чрезмерно впечатляющими. Однако более детальный анализ отчета демонстрирует, что это важный шаг на пути к созданию полномасштабного коммерческого термоядерного реактора.
Согласно публикации в рецензируемом журнале Nature, физики из Южной Кореи достигли удержания плазмы, нагретой до температуры, превышающей сто миллионов кельвинов, в течение более чем 20 секунд. Эти показатели значительны, но не являются абсолютными. На этой же установке ранее им уже достигали. И тогда в 2020 году это был выдающийся результат. Но с тех пор «рукотворное солнце» в Поднебесной (китайский экспериментальный токамак, EAST) показало и более высокие температуры и удерживало их дольше.
Несмотря на то, что отчет недавно опубликован, он по-прежнему заслуживает изучения. Прежде всего, даже воспроизведение ранее полученных характеристик плазмы является важным достижением. Это удается не всегда, даже при точном повторении условий предыдущих экспериментов. Кроме того, уверенное преодоление отметки в 100 миллионов кельвинов — значительный этап в развитии термоядерной энергетики. Эта температура плазмы рассматривается как минимально необходимая для начала самоподдерживающейся реакции синтеза в токамаках (для других типов реакторов этот порог иной). Наконец, условия нового эксперимента существенно отличаются от предыдущих, и это имеет большое значение.
Токамаки не являются оптимальным решением с точки зрения удобства поддержания термоядерной реакции. Существуют альтернативные установки, обеспечивающие более эффективное управление плазмой. Тем не менее, тороидальные реакторы обладают более простой конструкцией и лучше изучены, что делает их наиболее перспективными среди всех типов установок для управляемого термоядерного синтеза (УТС). К тому же, по материалозатратам и объему камеры они близки к идеальным значениям. Однако в камеру токамака можно загрузить лишь ограниченное число атомов топлива. Поэтому повышение эффективности реакции после использования всего объема дейтерия и трития возможно только за счет увеличения температуры и максимально длительного сохранения чистоты плазмы.
В процессе работы в нее попадают вещества, которые испаряются или высвобождаются ионами из стенок вакуумной камеры реактора. Даже минимальное количество этих примесей негативно влияет на качество плазмы, снижая ее температуру и вызывая повышенную нестабильность ее параметров. Для борьбы с загрязнением плазмы существует несколько подходов. Наиболее часто используемым в установках с магнитным удержанием является метод «барьер пограничного транспорта» ( ETB). По сути, это связано со способом устройства токамаков и проявляется в том, что в периферийной области плазменного жгута скорость движения ионов и электронов снижается. В результате, до стенок вакуумной камеры, помимо нейтронов, практически ничего не достигает.
Альтернативный метод не столько замещает ETB, что определяет, насколько эффективно ресурсы распределяются внутри страны — это «барьер внутреннего транспорта» ( ITB). Для его реализации необходимо более точное управление параметрами плазмы с целью достижения максимальной плотности в центральной части области реакции. Это позволит снизить количество вещества, достигающего стенок вакуумной камеры. Корейский токамак KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research ) использует именно ITB, причем использовалась его модифицированная версия. Кроме того, для последних экспериментов, в которых удалось повторить рекорд, был применен метод FIRE — повышение скорости нагрева плазмы достигается за счет более точного управления потоком быстрых ионов.
Дейтериевые и тритиевые ядра, потерявшие электроны, характеризуются высокой скоростью и являются основными переносчиками энергии в ходе реакции. Несмотря на то, что их доля в общем объеме вещества, находящегося в реакторе, не превышает 5%, их влияние на процесс выделения энергии является определяющим. 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, и увеличивается средняя температура вещества внутри токамака.
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.