20 января 2025 года китайский экспериментальный термоядерный реактор EAST установил новый рекорд по удержанию электронной плазмы. Реакция поддерживалась 1066 секунд, что без малого в три раза дольше предыдущего рекорда. Почти всё это время температура плазмы была в районе 100 млн °C, что в шесть раз больше, чем в ядре нашей звезды. Недавно реактор завершил очередной этап модернизации и готов к новым рекордам.

Experimental Advanced Superconducting Tokamak снаружи. Источник изображения: SCMP

Предыдущий рекорд реактор EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak или токамак HT-7U), расположенный в городе Хэфэй провинции Аньхой, установил в апреле 2023 года. Тогда термоядерная реакция на установке поддерживалась 403 секунды с температурой плазмы 100 млн °C. Увеличение времени непрерывной работы реактора до 1000 секунд считается ключевым для достижения последующих целей как по увеличению времени поддержки высочайшей температуры плазмы, так и по повышению верхнего предела температуры.

Для запуска термоядерной реакции в Солнце сверхвысокие температуры не нужны. В ядре звезды «всего» 15 млн °C. Для сближения ионов водорода и запуска синтеза гелия ядра атомов должны сблизиться до включения в работу сильного ядерного взаимодействия, преодолев электрическое отталкивание. Кроме температуры в этом помогает сильная гравитация — масса самого Солнца (это воздействие также эквивалентно давлению). На Земле в камере реактора развить такое давление невозможно, поэтому приходится «давить» на ядра повышением температуры. И заявленные китайскими учёными 100 млн °C мало для запуска реакции на Земле.

Во всех предыдущих случаях речь шла о температуре электронной плазмы. В связи с рекордами китайских термоядерных установок об ионной плазме никогда отдельно не сообщалось. В то же время до 100 млн °C необходимо нагреть именно ионную плазму — это лишённые электронов ядра, которые, собственно, и вступают в реакцию синтеза. По каким-то причинам китайская сторона не спешит рассказывать о рекордах в разогреве ионной плазмы.

И всё же, новая планка высоты взята. Почти 18 минут реактор EAST поддерживал в камере температуру 100 млн °C. Это важно как с точки зрения поддержания стабильности установки (плазмы), так и с позиций отработки технологий и поиска новых методов работы с реактором, материалами и прочим, без чего невозможно движение вперёд.

Британская компания Tokamak Energy заявила, что разрабатывает новую технологию лазерных измерений, которая имеет решающее значение для контроля экстремальных условий внутри реакторов будущих термоядерных электростанций и доставки чистой энергии в сеть. Для этого плазменный жгут должен оставаться стабильным, что при рабочих температурах свыше 100 млн градусов так просто не проверить.

Источник изображений: Tokamak Energy

Контролировать качество плазмы в реакторе — её плотность и температуру — предложено с помощью новой лазерной системы дисперсионного интерферометра. Сейчас она работает на испытательном стенде в штаб-квартире Tokamak Energy в Оксфорде, прежде чем позже в этом году будет установлена на прототипе сферического термоядерного реактора компании — установке ST40.

«Измерение плотности плазмы является ключом к нашему пониманию и контролю термоядерного топлива и эффективной работе будущих электростанций, — сказал физик плазмы сотрудник Tokamak Energy Тадас Пираджиус (Tadas Pyragius). — Лазерный луч, пропускаемый через плазму, взаимодействует с электронами и сообщает нам плотность топлива, что важно для поддержания условий термоядерного синтеза и безопасной подачи энергии в сеть».

«Экстремальные условия, создаваемые процессом термоядерного синтеза, означают, что нам необходимо усовершенствовать технологию лазерной диагностики уже сейчас, чтобы продвигаться вперёд в выполнении нашей миссии по обеспечению чистой, безопасной и доступной термоядерной энергии в 2030-х годах».

В прошлом году компания Tokamak Energy успешно ввела в эксплуатацию на установке ST40 лазерную диагностику на эффекте томсоновского рассеяния для получения подробных показаний температуры и плотности плазмы в определенных местах. В дополнение к этому новая система дисперсионного интерферометра будет определять среднюю плотность по всему плазменному жгуту. Компания утверждает, что это будет простой, надёжный и безотказный способ контроля качества плазмы в реакторе, который обязательно найдёт применение в будущих электростанциях.

Визуализация проекта ST80-HTS

Добавим, компания Tokamak Energy объявила в феврале 2022 года, что к 2026 году построит новый прототип сферического токамака — ST80-HTS, который будет располагаться в кампусе Управления по атомной энергии Великобритании в Калхэме, недалеко от Оксфорда. Следующим шагом станет создание экспериментальной термоядерной установки ST-E1, которая должна будет в начале 30-х годов продемонстрировать способность вырабатывать до 200 МВт чистой электроэнергии. За этим последует запуск коммерческих термоядерных установок мощностью 500 МВт «в середине 2030-х годов».

В декабре 2022 года учёные из Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса (LLNL) на установке NIF впервые добились термоядерного воспламенения — самоподдерживающейся реакции термоядерного синтеза, которая дала больше энергии, чем было потрачено на её запуск. Учёное сообщество с предельной осторожностью отнеслось к работе. Экспертная оценка длилась около года, и только недавно поддержала выводы авторов: термоядерный синтез с помощью лазеров работает.

Источник изображения: Jacob Long/Lawrence Livermore National Laboratory

Эксперты оценили пять работ учёных LLNL, представленных для публикации в одном из престижных для физиков журнале Physical Review Letters. Все выкладки авторов работ были перепроверены независимыми специалистами. Цифры сошлись. В том теперь уже историческом эксперименте в начале декабря 2022 года на капсулу с топливом было подано 2,05 МДж энергии, а высвободилось 3,15 МДж, что примерно в 1,5 раза больше. Учёные около 50 лет шли к этой цели, что можно назвать переломным моментом в освоении термоядерной энергии синтеза.

Позже, в середине 2023 года, после улучшения капсулы с топливом, изменения объёма самого топлива, условий зажигания и оптимизации лазеров, был получен ещё лучший выход: 3,88 МДж при той же энергии входа. Это стало наивысшим на сегодняшний день достижением в сфере инерциального термоядерного синтеза, когда почти две сотни мощных лазеров (192 шт.) были сфокусированы на специальной капсуле с 220 мкг смеси дейтерия и трития. Вокруг топлива было создано давление до 600 млрд атмосфер и температура 151 млн °C. И это привело к запуску самоподдерживающейся реакции синтеза, когда атомы водорода сливались и изливали в пространство энергию вместе с атомами новорожденного гелия и нейтронами.

Опубликованные в журнале Physical Review Letters работы можно найти здесь, здесь, здесь, здесь и здесь. О практической ценности исследования говорить очень и очень рано. На самом деле, на запуск и поддержание в работе лазеров в процессе эксперимента ушло на два порядка энергии больше, чем высвободилось в процессе синтеза. Для нас главное, что инерциальный метод термоядерного синтеза доказал свою работоспособность и в будущем может стать основой для запуска управляемых термоядерных реакций.

Китайская национальная ядерная корпорация (CNNC) сделала значительный шаг на пути к созданию «искусственного солнца», то есть к управляемой реакции ядерного синтеза. Установка HL-2A типа токамак впервые сгенерировала плазму с током силой более 1 млн ампер или 1 МА в режиме улучшенного удержания (H-режим).

Источник изображений: China National Nuclear Corporation

CNNC подтвердила успешную работу установки HL-2A в режиме улучшенного удержания, в котором можно добиться значительного роста температуры и плотности плазмы. Это является ключевым этапом в разработке управляемого ядерного синтеза, который, по мнению учёных, может предоставить миру безопасную, экологически чистую и практически неограниченную энергию. В отличие от ядерного расщепления, используемого в современных атомных станциях, синтез производит меньше радиоактивных отходов.

CNNC также отметила, что новый реактор успешно преодолел ключевые технические трудности, связанные с использованием более мощной системы нагрева и передового отводящего устройства. Устройство было разработано в Юго-Западном институте физики в Чэнду (SWIP).

Китайское «искусственное солнце» нового поколения демонстрирует поразительные результаты в области ядерного синтеза

Однако HL-2A не является первым устройством, способным генерировать и поддерживать экстремально горячую плазму. В апреле Экспериментальный передовой суперпроводящий токамак — установка тороидальной формы, предназначенная для магнитного удержания раскалённой плазмы с целью реализации термоядерного синтеза — установил новый рекорд, поддерживая плазму почти 7 минут.

Ученые по всему миру работают над созданием подобных «искусственных солнц», которые генерируют энергию, нагревая атомы водорода до температур выше 100 млн градусов Цельсия, чтобы те соединялись друг с другом. Основная проблема заключается в контроле этого процесса, чтобы реактор не расплавился.

Китай также активно участвует в проекте Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) во Франции в сотрудничестве с Евросоюзом, Индией, Японией, Южной Кореей, Россией и США. Страна стремится к самодостаточности в области энергетики, и ядерная энергия играет в этом ключевую роль.

По данным Всемирной ядерной ассоциации (WNA), Китай утроил свою ядерную мощность за последнее десятилетие. С 2011 по 2022 год Китай подал больше патентов на технологию ядерного синтеза, чем любая другая страна.