Термоядерный реактор в семь раз обошёл центр Солнца по температуре плазмы

Экспериментальный термоядерный реактор нагрел плазму до громадной температуры.

Фото IPP.

Слева: зависимость температуры электронов от плотности плазмы в реакторе. Справа: изображение облака плазмы в тороидальной камере.

Иллюстрация CASHIPS.

На термоядерном реакторе EAST, прозванном "китайским искусственным солнцем", учёные разогрели плазму до ста миллионов градусов (температура в центре нашей звезды – 15 миллионов °C). Об этом сообщает Академия наук КНР.

Столь замечательный результат был получен благодаря использованию сразу четырёх источников тепла.

Во-первых, плазму нагревали низкие гибридные волны и электронные циклотронные волны (это разные виды продольных колебаний электронов и ионов).

Во-вторых, физики использовали ионный циклотронный резонанс. Суть явления состоит в том, что в однородном и постоянном во времени магнитном поле ионы движутся по кругу с определённой частотой. Если периодически и с той же частотой передавать им дополнительный импульс с помощью электрического поля, можно сильно повысить энергию ионов и тем самым поднять и температуру вещества.

Наконец, свой вклад внесло впрыскивание нейтрального пучка. Поясним, о чём речь. Горячая плазма в реакторе удерживается магнитным полем. Возникающие силы заставляют заряженные частицы изменять траекторию, избегая столкновения со стенками камеры (только благодаря этому последние не обращаются в пар). Однако на электрически нейтральные атомы магнитное поле не действует. Поэтому струя такого вещества может беспрепятственно проникнуть в магнитную ловушку. Там атомы моментально сталкиваются с ионами плазмы, теряют электроны и сами превращаются в ионы. При этом большая часть кинетической энергии пучка расходуется на нагрев плазмы.

Умелое использование всех этих механизмов и позволило учёным получить тепловую мощность более десяти мегаватт и с её помощью нагреть плазму до 100 миллионов °C. Точнее говоря, речь идёт о температуре электронов. Протоны – частицы гораздо более тяжёлые и в том же облаке плазмы могут иметь совсем другую температуру.

Эксперименты с периодическим воспроизведением такого состояния плазмы продолжались четыре месяца. Физики изучали устойчивость плазмы в магнитной ловушке, воздействие её на стенки реактора, движение раскалённого вещества и так далее.

Также испытанию подвергся охлаждаемый водой вольфрамовый дивертор – устройство, мешающее частицам со стенок камеры попадать в плазму.

Слева: зависимость температуры электронов от плотности плазмы в реакторе. Справа: изображение облака плазмы в тороидальной камере.
Слева: зависимость температуры электронов от плотности плазмы в реакторе. Справа: изображение облака плазмы в тороидальной камере.
Иллюстрация CASHIPS.

Напомним, что реактор EAST был запущен в 2006 году. В 2017 году он впервые удержал максимальную температуру плазмы в течение более чем ста секунд.

В последние годы похожий результат был достигнут на нескольких термоядерных реакторах, но результат китайских физиков особенно важен в связи с необычно высокой температурой, которая развивается в EAST.

Поясним, что термоядерным реакциям в центре Солнца способствует мощная гравитация звезды и её огромные размеры. Чтобы получить нужный результат в земных условиях, и требуется такая гигантская температура. При этом её нужно поддерживать достаточно долго, чтобы необходимые реакции успели произойти.

К слову, EAST относится к так называемым токамакам. Слово образовано от аббревиатуры ТОКАМАК – "ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками". Такой реактор представляет собой полый тор ("бублик"), внутри которого магнитные поля удерживают горячую плазму. Первый токамак был построен в 1954 году в СССР.

EAST стал первым в мире токамаком с некруглым поперечным сечением, магнитное поле в котором полностью создаётся сверхпроводящими электромагнитами.

Опыт китайских физиков наверняка будет учтён в проекте ИТЭР. Это крупнейший в мире термоядерный реактор, в строительстве которого участвуют 35 стран, в том числе Россия, Китай и США.

Конечной целью исследователей является промышленный термоядерный реактор. Если человечеству удастся создать эту технологию, оно будет фактически навсегда обеспечено дешёвой и экологически чистой энергией.

Правда, предстоит решить ещё несколько проблем, например, наладить производство тяжёлого изотопа водорода трития, который является стандартным термоядерным топливом.

Напомним, что ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о получении "звёздных" термоядерных реакций, о том, как можно спасти стенки реактора от разрушения, и о новой перспективной концепции таких устройств.