Учёные наткнулись на способ сделать термоядерные реакторы более компактными или мощными

Учёные из Института физики плазмы им. Макса Планка (IPP) в процессе работы на токамаке ASDEX Upgrade в Гархинге (недалеко от Мюнхена) сделали открытие, которое может привести к созданию как более компактных термоядерных реакторов, так и повысить мощность реакторов без увеличения размеров сосуда для плазмы. В серии экспериментов они показали, что плазменный жгут можно почти вплотную приблизить к стенкам камеры без риска их повреждения.

X-point испускает УФ-свет и видимый синий свет. Красная дуга — край плазменного жгута. Источник изображения: MPI für Plasma Physics

Как известно, плазма внутри рабочей камеры термоядерного реактора типа токамак — вакуумного сосуда в виде пончика — удерживается вдали от стенок сильным магнитным полем. Если плазменный жгут коснётся стенки сосуда, он её легко повредит. В современных проектах реакторов токамаков, как и в случае проекта ИТЭР, жгут плазмы температурой свыше 100 млн °C удерживается сравнительно далеко от стенок. В случае реактора ASDEX Upgrade, например, который некоторым образом служит прообразом ИТЭР, от края плазмы до дивертора всегда было не менее 25 см. Теперь учёные показали, что это расстояние можно уменьшить до менее чем 5 см.

Добавившийся объём в сосуде можно заполнить плазмой и повысить мощность реактора, а можно сделать сосуд меньшего размера и в итоге спроектировать термоядерную электростанцию меньшего размера без потери мощности. Кроме того, конструкция дивертора — который будет служить для съёма полезной мощности и для синтеза в будущем изотопов гелия-4 — станет проще. Сегодня диверторы защищаются вольфрамовыми плитками, и в будущем от этого можно будет уйти.

Суть сделанного открытия в том, что обнаружился эффект повышенного преобразования тепла от границ плазменного жгута в излучение в ультрафиолетовом диапазоне. Если открытие будет подтверждено, появится возможность создавать условия для более точного управления краями плазмы, включая повышенное преобразование тепла в УФ-излучение — это так называемый излучатель точки X (сокращенно XPR), который кроме УФ-излучения испускает также видимый свет в синем спектре.

Эффект возникает, когда в плазму специально добавляют немного примеси (часто это может быть азот). Эффект является управляемым и может стать средством для контроля падающей на дивертор мощности. Диверторы ИТЭР, которые, кстати, изготавливаются в России, смогут выдерживать не более 10 МВт/м². Без магнитного экранирования до стенок дивертора дошло бы до 20 % мощности плазмы или до 200 МВт/м². Управляемая добавка примесей в плазму наряду с магнитной клеткой удерживает стенки дивертора от перегрева и разрушения.

Кассета дивертора и её расположение в реакторе. Источник изображения: ИТЭР

«Излучатель точки X возникает в магнитных клетках особой формы, когда количество добавленного азота превышает определенное значение, — рассказал один из авторов исследования. — Такие примеси дают нам несколько худшие свойства плазмы, но если мы установим излучатель точки X в фиксированное положение, изменяя подачу азота, мы сможем проводить эксперименты на более высокой мощности, не повреждая устройство/дивертор».

Явление было обнаружено около 10 лет назад на реакторе ASDEX Upgrade, но оно всё ещё требует серьёзного научного обоснования и экспериментов, как и привлекает перспективами.