Нов пробив – 40 милиона °C плазма: Wendelstein 7-X възражда вярата в термоядрената енергия

Физиците затаиха дъх в продължение на 43 секунди, докато стелаторът се опитваше да задържи звездната енергия .

На 22-ри май приключи новата изследователска кампания на най-големия в света стеларатор Wendelstein 7-X. Това съоръжение, работещо в Грайфсвалд, Германия, под егидата на Института по физика на плазмата към Института „Макс Планк“, отбеляза няколко важни постижения, най-важното от които беше световният рекорд по отношение на ключовия параметър във физиката на контролирания термоядрен синтез.

Критерият на Лоусън съчетава три критични характеристики на плазмата: плътност на частиците, температура и време за задържане на енергията. Само ако произведението от тези стойности надхвърли определен праг, реакцията на термоядрения синтез може да премине в режим на енергийна самодостатъчност – т.е. да произвежда повече енергия, отколкото е необходима за нейното нагряване.

Рекордът беше поставен в последния ден на серията ОП 2.3. Плазмата с висока стойност на тройния критерий бе задържана в продължение на 43 секунди – по-дълго, отколкото в което и да е съоръжение от типа токамак при сравними условия. Преди това за лидери се считаха японското съоръжение JT60U и европейското съоръжение JET, които приключиха работа съответно през 2008 г. и 2023 г. Те запазват предимството си по отношение на краткосрочните импулси, но по отношение на дългосрочната стабилност на задържане на плазмата сега Wendelstein 7-X изпреварва всички.

Въпреки структурната сложност, стелараторите имат редица сериозни предимства пред токамаците. Основното сред тях е възможността за продължителна работа без необходимост от индуциране на ток в плазмата. Това прави тези устройства потенциално по-надеждни и предсказуеми при дългосрочна експлоатация. Самият стеларатор представлява инсталация, в която нажежената плазма се задържа на определено място единствено от външно магнитно поле, генерирано от сложна система от намотки.

Съвместната работа на европейските изследователски центрове и американските инженери изигра ключова роля за постигането на новите резултати. По-конкретно, значителен принос има екипът от Националната лаборатория „Оук Ридж“ (ORNL) към Министерството на енергетиката на САЩ, който разработи уникален инжектор за замразени водородни пелети, който осигурява равномерно подаване на гориво към магнитния капан, за да се увеличи продължителността на задържане.

За кратко време в камерата на реактора бяха подадени около 90 пелети с диаметър около един милиметър. Едновременно с това се извършваше нагряване на плазмата чрез микровълнова енергия. Прецизната координация между подаването на горивото и мощността на облъчването се оказа от решаващо значение: и най-малкият пропуск в синхронизацията би нарушил деликатния енергиен баланс.

Специална характеристика на инжектора е програмируемото управление на честотата на изстрелите. Подобна схема е използвана за първи път в практиката и е успешно приложена във W7-X. Тази техника е от пряко значение за бъдещите реактори за термоядрен синтез, в които плазмата ще трябва да се поддържа не за секунди, а поне за няколко минути.

Надеждната работа на устройството се осигурява от система, която образува твърд цилиндър от замразен водород с диаметър 3 mm. От него се изрязват сегменти с дължина 3,2 mm, които се ускоряват до скорости от около 300-800 метра в секунда, преди да бъдат инжектирани в зоната на реакцията.

Методът на облъчване се основава на явлението електронен циклотронен резонанс, което се счита за един от най-ефективните начини за нагряване на плазмата до температурите, необходими за термоядрен синтез. По време на проведената сесия температурата в съоръжението надхвърли 20 милиона градуса по Целзий, а в пиковите моменти достигна 30 милиона. В някои режими температурата на йоните се повиши до 40 милиона.

За измерване на параметрите на средата са използвани различни диагностични комплекси. Рентгеновият спектрометър на лабораторията в Принстън предостави данни за температурата на йоните, а уникалният интерферометър IPP проследи плътността на електроните. Времената за задържане на енергията бяха определени с помощта на патентован набор от измервателни системи на Института.

В допълнение към постигането на рекорда в рамките на програмата ОП 2.3 бяха отбелязани и други важни етапи. Така например общият енергиен оборот на системата беше увеличен до 1,8 гигаджаула при време на задържане от 360 секунди. Предишният максимум от 1,3 GJ беше достигнат през февруари 2023 г. Чудесно доказателство за способността на централата не само да съхранява енергията, но и ефективно да разсейва топлинното натоварване.

Също така за първи път в целия обем на плазмата беше постигнато налягане, съответстващо на 3% от налягането на магнитното поле. За тази цел мощността на магнитния капан беше умишлено намалена до 70% от стандартното ниво. Съотношението между вътрешното и външното налягане е критичен параметър при проектирането на комерсиални реактори: те изискват стабилност на резултатите в рамките на 4-5%.

По този начин Wendelstein 7-X не само се доближи до параметрите, изисквани за практическата енергетика. Той доказа, че стелараторът не е просто теоретично интересен обект, а реален кандидат за ролята на основа на енергетиката на бъдещето.

Да напомним, че само преди седмица в стелатора Wendelstein 7-X на германския Институт по физика на плазмата „Макс Планк“ за първи път успешно бяха използвани радиовълни за генериране на високоенергийни частици – йони на хелий-3. Този експеримент е важна стъпка към контролирания термоядрен синтез, който би могъл да осигури на човечеството практически неизчерпаем източник на чиста енергия. За да ускорят плазмата, учените са използвали технологията за нагряване чрез йонен циклотронен резонанс.