Стелларатор Wendelstein 7-X - это экспериментальный термоядерный реактор, разработанный, чтобы приблизить нас к перспективам получения чистой безграничной энергии, и с момента создания своей первой плазмы в 2015 году мы видели, что он предпринимает устойчивые и значительные шаги к этой цели. Физики только что подтвердили еще один «крупный прогресс», который позволит увидеть плазму в реакторе, вдвое более горячую, чем ядро Солнца, в результате усилий по устранению внутренних потерь энергии в конструкции.
Стеллараторы отличаются от более распространенных симметричных по конструкции термоядерных токамак-реакторов в форме пончика как чрезвычайно сложные конструкции, полные изгибов и поворотов. Как и во всех термоядерных реакторах, цель состоит в том, чтобы воссоздать процессы, происходящие внутри Солнца, подвергая потоки плазмы экстремальным температурам и давлению, заставляя атомы сталкиваться и сливаться вместе, чтобы произвести колоссальное количество энергии.
Схема, изображающая сложную серию катушек и инфраструктуры, окружающей сосуд для удержания высокотемпературной плазмы стелларатора Wendelstein 7-X. Фото: IPP
Реактор Wendelstein 7-X настолько сложен, что для его проектирования потребовались суперкомпьютеры. Он использует серию из 50 сверхпроводящих искривлённых магнитных катушек, чтобы удерживать плазму на месте, когда она вращается вокруг поворотно-изгибающейся круглой камеры. В 2018 году физики, работающие над проектом, установили новые рекорды плотности энергии и удержания плазмы для термоядерного реактора этого типа.
В ходе этих экспериментов плазма к тому же нагрелась до температуры 20 млн °C, что обеспеченно превышает температуру Солнца на 15 млн °C. Но оказывается, что Wendelstein 7-X может быть предназначен для гораздо более высоких температур.
Внешний вид стелларатора Wendelstein 7-X изнутри. Фото: IPP
При разработке Wendelstein 7-X инженеры стремились устранить одно ограничение, которое мешает классическим конструкциям стеллараторов гораздо больше, чем токамакам, тип потери тепла, известный как «неоклассическая диффузия». Это происходит, когда столкновения между нагретыми частицами выбивают некоторые из них с их орбиты и заставляют их уноситься наружу из магнитного поля. Клетка магнитного поля Wendelstein 7-X была очень тщательно оптимизирована для предотвращения подобных потерь.
Чтобы определить, окупилось ли это тщательное планирование, ученые из Института физики плазмы Общества Макса Планка и Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) провели новый подробный анализ серии рекордных экспериментов со стелларатором. Этот анализ был сосредоточен на диагностических данных, собранных рентгеновским спектрометром, и показал резкое снижение неоклассической диффузии и раскрыл, что, действительно, высокие температуры не могли быть достигнуты иначе.
«Это показало, что оптимизированная форма W7-X уменьшила неоклассическую диффузию и была необходима для производительности, наблюдаемой в экспериментах с W7-X», - говорит физик PPPL Новимир Паблант. «Это был способ показать, насколько важна оптимизация».
Эта производительность была достигнута при том, что описывается как доступная в настоящее время «умеренная тепловая мощность», и, по словам ученых, анализ показывает, что Wendelstein 7-X способен удерживать тепло, которое в будущем достигнет температуры, которая в два раза выше, чем в ядре Солнца. Но по мере того, как команда занимается ядерным синтезом, есть много шаров, которыми нужно жонглировать, помимо воздействия высоких температур, включая устранение других форм потери тепла. Дальнейшие эксперименты намечены на 2022 год, и они будут включать новую конструкцию системы водяного охлаждения, позволяющую проводить более длительные эксперименты.
«Это действительно захватывающая новость для управляемого термоядерного синтеза: этот дизайн оказался успешным», - говорит Паблант. «Это ясно показывает, что такого рода оптимизация возможна».
Статья с описанием исследования была опубликована в журнале Nature.
