Корейский термоядерный реактор установил новый рекорд по выработке плазмы с температурой 100 млн градусов

Модернизация корейского термоядерного реактора «искусственное Солнце» дала еще один рекордный результат: новые компоненты способны лучше выдерживать высокие температуры и поддерживать вращающийся шар плазмы температурой 100 млн °C в течение почти 50 секунд. Это почти на 20 секунд больше, чем последний показатель корейского сверхпроводящего реактора Tokamak Advanced Research (KSTAR), который в последние годы бьет свои собственные рекорды по продолжительности создания и удержания безумно горячей плазмы в своем корпусе в форме пончика.

При температуре 100 млн °C тяжелые изотопы водорода в плазме (горячем облаке ионизированного газа) вынуждены сливаться вместе, высвобождая энергию аналогично тому, что происходит в ядре Солнца. Однако задача ядерного синтеза, который обещает более чистую и почти безграничную энергию, состоит в том, чтобы сдержать эту извивающуюся петлю плазмы с помощью магнитных полей.

Последний результат KSTAR впечатляет, поскольку он сталкивается с некоторыми ключевыми проблемами на пути к термоядерной энергии, хотя другие термоядерные реакторы того же технологического класса раздвинули границы еще дальше.

Испытывая новые компоненты, KSTAR прокладывает путь к Международному термоядерному экспериментальному реактору (ИТЭР), который может стать крупнейшим в мире термоядерным реактором токамак, если ему удастся преодолеть дефицит бюджета и технические препятствия.

Новый рекорд KSTAR, объявленный Корейским институтом термоядерной энергетики (KFE), обусловлен проведенной в 2023 году модернизацией дивертора реактора — компонента, который поддерживает самые высокие температуры внутри реактора и отводит отработанные продукты.

Дивертор KSTAR теперь сделан из вольфрама, который имеет очень высокую температуру плавления, но не поглощает плазменное топливо, как губка, и не реагирует с ним так, как это делали предыдущие диверторы на основе углерода. Установка новых диверторов была завершена в прошлом году, что помогло увеличить рекордное время термоядерного синтеза KSTAR до 48 секунд за последний трехмесячный запуск по сравнению с 30 секундами в 2021 году.

«Несмотря на то что это был первый эксперимент, проведенный в среде новых вольфрамовых диверторов, тщательное тестирование оборудования и подготовка кампании позволили нам за короткий период достичь результатов, превосходящих предыдущие рекорды KSTAR», — сказал Си-Ву Юн, директор Исследовательского центра KSTAR. Однако работоспособность дивертора при температурах, в семь раз превышающих температуру Солнца, нужно было еще доказать; в этом нельзя было быть уверенными.

Исследователи KFE ожидали, что он будет работать так же, как дивертор на основе углерода, но существовал риск, что вольфрам расколется или новая установка не сможет генерировать плазму. Изменился не только материал дивертора, но и его форма. Новый вольфрамовый дивертор KSTAR имеет U-образную форму, а не прямую, как предыдущий карбоновый компонент.

«В начале кампании температура внутренней стенки токамака не поднималась должным образом», — говорит физик KFE Хенсок Ким, но исследователи смогли быстро приспособиться к новым условиям эксплуатации, чтобы воздействовать на плазму магнитными полями. Вольфрамовый дивертор был не единственным обновлением, которое помогло улучшить характеристики KSTAR.

Исследователи KFE, сотрудничающие с Принстонской лабораторией физики плазмы Министерства энергетики США, описали, как они нашли способ стабилизировать слабые места на границах плазмы, вызванные незначительными дефектами в магнитных катушках, удерживающих плазму на месте.

Это улучшение привело ко второй важной вехе — удержанию плазмы в высокоэффективном состоянии, называемом «H-режимом», в течение 102 секунд. Предыдущие попытки были ограничены несколькими секундами, после чего производительность резко упала.

В идеале полностью работоспособная термоядерная электростанция должна работать при критических температурах в H-режиме в течение периодов, достаточных для выработки устойчивого источника энергии. Эти достижения представляют собой монументальный шаг на пути к этой цели.

Хён Сон Хан, физик плазмы из исследовательской группы высокопроизводительных сценариев KFE, говорит, что в настоящее время команда рассматривает последнюю партию экспериментальных данных, которые будут использоваться в подготовке ИТЭР, собирают результаты для публикации и планируют следующую кампанию.

Хан надеется, что вскоре они смогут преодолеть 50-секундную отметку на пути к конечной цели проекта — достижению 300 секунд работы плазмы с температурой более 100 млн градусов к концу 2026 года.

Это в шесть раз дольше, чем текущий рекорд KSTAR, и все же на несколько минут короче, чем у китайского экспериментального усовершенствованного сверхпроводящего токамака (EAST), который по состоянию на апрель прошлого года мог генерировать и поддерживать плазму в течение почти семи минут.

Но для запуска термоядерных реакторов и генерации плазменных реакций в течение хотя бы нескольких секунд требуется огромное количество энергии, поэтому до их способности генерировать большое количество чистой энергии осталось еще несколько десятилетий.