Физики разработали ключевое устройство для получения термоядерной энергии

Физики, работающие над термоядерным реактором, называемым стелларатором, становятся все ближе к тому, чтобы на самом деле использовать мощь ядерного синтеза.

Согласно новой статье, стелларатор Wendelstein 7-X в Германии теперь может удерживать тепло, которое достигает температур в два раза выше, чем в ядре Солнца. Это означает, что физикам удалось снизить тепловые потери — важный шаг вперед в технологии стеллараторов.

«Это действительно захватывающая новость для термоядерного синтеза, что эта конструкция оказалась успешной», — сказал физик Новимир Паблант из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL). «Это ясно показывает, что такого рода оптимизация возможна».

Термоядерная энергия находится в центре внимания усилий по развитию энергетики во всем мире. Теоретически способ основан на использовании энергии, выделяющейся при слиянии ядер в плазме, для производства более тяжелого элемента: тот же процесс, который происходит в звездах. Если бы мы смогли добиться этого, выгоды были бы огромными — чистая, высокоэффективная энергия, которая практически неисчерпаема.

Однако легче сказать, чем сделать. Слияние ядер — чрезвычайно энергичный процесс, и сдержать его непросто. Энергия термоядерного синтеза была впервые исследована в 1940-х годах; Спустя десятилетия термоядерные реакторы по-прежнему не производят столько энергии, сколько теряют, с довольно значительным отрывом, хотя разрыв сокращается.

Технология термоядерного синтеза, в настоящее время побивающая температурные рекорды, — это токамак — петля плазмы в форме пончика, заключенная в оболочку из магнитных полей, движущуюся с высокой скоростью в виде быстрых импульсов. Относительная простота помогает сдерживать его при высоких температурах, но только порывами.

С другой стороны, стеллараторы основаны на невероятно сложной конфигурации магнитов, созданной ИИ, которая может направлять плазму, чтобы она продолжала течь. Их довольно сложно спроектировать и построить, что привело к появлению стеллараторов пропускающих довольно много энергии, произведенной термоядерным синтезом, в виде тепловых потерь.

Потеря тепла является результатом процесса, называемого неоклассическим переносом, при котором сталкивающиеся ионы в термоядерном реакторе вызывают диффузию плазмы наружу. Его действие в стеллараторах больше, чем в токамаках.

Поскольку у токамаков есть свои недостатки, исследователи из PPPL и Института физики плазмы Макса Планка попытались придать форму магнитам в W7-X, чтобы попытаться уменьшить эффекты неоклассического транспорта. А теперь измерения, проведенные с помощью прибора, называемого рентгеновским кристаллическим спектрометром (XICS), показали очень высокие температуры внутри реактора.

Стелларатор смог достичь температуры почти 30 миллионов градусов.

Команда обнаружила, что это было бы возможно только в том случае, если бы произошло резкое сокращение неоклассического переноса. Они провели моделирование, чтобы определить, сколько тепла было бы потеряно через неоклассический перенос, если бы W7-X не был оптимизирован, и обнаружили, что 30 миллионов Кельвинов — это выход за рамки допустимого.

Этот захватывающий результат представляет собой значительный шаг вперед в совершенствовании конструкции стелларатора, который будет определять будущие разработки.

Это также значительный шаг к созданию практического термоядерного реактора, хотя предстоит еще много работы. Чтобы термоядерный реактор был практичным, он должен иметь не только высокие температуры, но и правильную плотность плазмы и приличное время удержания. Несмотря на то, что токамаки нагреваются, сокращение потерь энергии гарантирует, что стеллараторная технология по-прежнему будет иметь преимущество.

Исследование опубликовано в журнале Nature.