Стелларатор Wendelstein 7-X наглядно продемонстрировал своё преимущество перед токамаками

Новый цикл работы недавно запущенного экспериментального термоядерного реактора Wendelstein 7-X в Германии доказал перспективы концепции стеллараторов и их преимущество над токамаками. Учёные из Института физики плазмы Общества Макса Планка (IPP) в Грайфсвальде установили рекордные показатели в работе стеллараторов, создав новый эталон в сфере управляемых термоядерных реакций.

Вид на ядро установки Wendelstein 7-X. Источник изображения: IPP

Стеллараторы традиционно считаются более стабильными по сравнению с токамаками, поскольку не требуют протекания тока через плазму для её удержания. Вместо этого удержание обеспечивается исключительно сложной системой внешних магнитных полей. Это устраняет важный источник нестабильности, присущий токамакам. Однако высокая сложность конструкции делает стеллаторы дороже в производстве и настройке.

Тем не менее, индустрия в основном делает ставку на токамаки. В частности, международный проект термоядерного реактора ИТЭР — это огромный токамак. Стеллараторы остаются перспективной альтернативой, в теории обещая более компактные размеры, что удобно для коммерческой эксплуатации. Учёным остаётся доказать возможность поддерживать термоядерные реакции в стеллаторах с меньшими затратами энергии и ресурсов, чем в токамаках. В этом вопросе немецкая установка Wendelstein 7-X оказалась на острие прогресса.

Как и в токамаках, в рабочих камерах стеллараторов создаются условия для синтеза ядер гелия в процессе слияния изотопов ядер водорода. Для этого газ разогревается до десятков и сотен миллионов градусов, что доводит вещество до состояния плазмы. Ионы вещества приобретают энергию, которая с привлечением законов квантовой механики заставляет их преодолевать кулоновское отталкивание и сливаться, синтезируя более тяжёлые атомы с выделением колоссальной энергии.

В последнем экспериментальном цикле Wendelstein 7-X удалось достичь рекордного сочетания трёх ключевых параметров термоядерного синтеза: температуры, плотности плазмы и времени её удержания. Это критически важный показатель: чем выше их произведение, тем ближе установка к режиму самоподдерживающейся реакции — конечной цели всего термоядерного направления.

Ключом к успеху последнего эксперимента Wendelstein 7-X стала разработка новой топливной форсунки, которая сочетала в себе непрерывную подачу топлива с импульсным нагревом для поддержания необходимой температуры плазмы. В течение 43 секунд в плазму было выпущено 90 замороженных водородных гранул со скоростью до 800 м/с, что примерно соответствует скорости пули. Запрограммированные импульсы мощных микроволн нагревали плазму, которая достигала пиковой температуры в 30 млн ℃. Такая координация между микроволновыми импульсами и впрыском гранул значительно увеличивала время стабильного поддержания плазмы.

Этот же эксперимент обнаружил рост энергооборота реакции до 1,8 ГДж за шестиминутный цикл, побив предыдущий рекорд реактора в 1,3 ГДж, установленный в феврале 2023 года. Энергооборот — это сочетание мощности нагрева и продолжительности существования плазмы в термоядерном реакторе, а также показатель способности реактора поддерживать высокоэнергетическую плазму. Таким образом, это ещё один важный параметр для работы будущих электростанций, который показал экспериментальный стелларатор.

«Результаты этой экспериментальной кампании — это нечто большее, чем просто цифры. Они представляют собой значительный шаг вперед в подтверждении концепции стелларатора, ставший возможным благодаря выдающемуся международному сотрудничеству», — резюмировали учёные IPP.