Китайський токамак досяг режиму без обмеження густини плазми

Науковці, які працюють з повністю надпровідним експериментальним токамаком EAST у Китаї, досягли давно передбаченого стану, відомого як режим без обмеження густини. У цьому режимі термоядерна плазма залишається стабільною при густині, що значно перевищує традиційні межі. Досягнення є важливим кроком до вирішення однієї з найстійкіших фізичних проблем термоядерної енергетики. Результати дослідження опубліковані в журналі Science Advances першого січня 2025 року.

Дослідження очолили професор Пін Чжу з Хуачжунського університету науки і технологій та доцент Нін Янь з Хефейських інститутів фізичних наук Китайської академії наук. Використовуючи новий підхід до роботи при високій густині на токамаку EAST, команда показала, що густину плазми можна підвищити значно вище давно прийнятих емпіричних меж без виникнення сильних нестабільностей, які зазвичай припиняють експерименти на токамаках.

Термоядерний синтез широко розглядається як потенційне джерело чистої та надійної енергії. При синтезі дейтерію та тритію паливо необхідно нагріти приблизно до 13 кілоелектронвольт, що еквівалентно 150 мільйонам кельвінів, щоб отримати оптимальні реакції. При цих екстремальних температурах потужність термоядерного синтезу зростає пропорційно квадрату густини плазми. Однак протягом десятиліть експерименти з токамаками були обмежені верхньою межею густини. Перетин цієї межі зазвичай призводить до зривів, які порушують утримання плазми та загрожують стабільності пристрою, що ускладнює досягнення вищої ефективності синтезу.

Новіша теоретична концепція, відома як самоорганізація плазми та стінки, пропонує інший спосіб розуміння цих обмежень. Концепцію вперше запропонували Домінік Франк Есканд та його колеги з Французького національного центру наукових досліджень та Університету Екс-Марсель. Згідно з теорією, режим без обмеження густини стає можливим, коли плазма та металеві стінки реактора досягають делікатного балансу, особливо в системах, де фізичне розпилення домінує у взаємодії плазми зі стінкою.

Експерименти на токамаку EAST надали перше експериментальне підтвердження цієї ідеї. Дослідники ретельно контролювали початковий тиск газу палива та застосовували електронно-циклотронний резонансний нагрів під час фази запуску кожного розряду плазми. Цей контроль на ранній стадії допоміг оптимізувати взаємодію плазми зі стінкою з самого початку. В результаті накопичення домішок та втрати енергії були значно зменшені, що дозволило густині плазми стабільно зростати до кінця фази запуску. За цих умов токамак EAST успішно увійшов у передбачений теорією самоорганізації плазми та стінки режим без обмеження густини, де стабільна робота підтримувалася навіть при густині, що значно перевищує звичайні межі.

Ці результати пропонують нове розуміння того, як можна подолати давній бар'єр густини в роботі токамаків на шляху до термоядерного запалювання. Професор Чжу зазначив, що результати дослідження вказують на практичний та масштабований шлях для розширення меж густини в токамаках та пристроях термоядерного синтезу наступного покоління з палаючою плазмою.

Доцент Янь додав, що команда планує застосувати той самий метод під час роботи з високим утриманням на токамаку EAST в найближчому майбутньому з метою досягнення режиму без обмеження густини за ще вищих показників плазми. Це може відкрити нові можливості для створення ефективних термоядерних реакторів, здатних виробляти чисту енергію в промислових масштабах.

Токамак EAST, розташований у місті Хефей, є одним з найбільш передових експериментальних пристроїв для дослідження термоядерного синтезу у світі. Його повністю надпровідна конструкція дозволяє підтримувати магнітне поле протягом тривалого часу, що є критично важливим для досягнення стабільних умов для термоядерних реакцій. Нові результати демонструють, що правильний підхід до контролю початкових умов та взаємодії плазми зі стінками може суттєво розширити операційні можливості таких пристроїв.