За гранью предела Гринвальда: ученые преодолели барьер на пути к термоядерной энергии

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Термоядерная энергия, энергия звезд, издревле манит человечество. Это практически неисчерпаемый источник чистой энергии, способный решить энергетические проблемы нашей планеты. Одним из наиболее перспективных способов получения термоядерной энергии является использование токамаков — установок, удерживающих горячую плазму магнитным полем в форме тора. Однако на пути к экономически выгодной термоядерной электростанции стоит ряд серьезных препятствий.


Автор: Designer

Основная проблема заключается в том, что для эффективного протекания термоядерной реакции требуется очень высокая плотность плазмы. Эта плотность ограничена так называемым пределом Гринвальда — эмпирическим значением, выше которого плазма становится нестабильной. Достижение высокой плотности необходимо сочетать с высоким качеством удержания энергии, что выражается в параметре H98y2. Большинство проектов термоядерных реакторов будущего требуют одновременного достижения плотности выше предела Гринвальда и H98y2 значительно превышающего 1. Однако до сих пор эта задача казалась невыполнимой.

Ученые из General Atomics (США) в сотрудничестве с коллегами из других стран провели серию экспериментов на токамаке DIII-D, которые могут перевернуть представления о возможностях термоядерной энергетики. Они использовали новый режим работы токамака — так называемый режим высокого полоидального бета (βP). В этом режиме за счет особой конфигурации магнитного поля удается создать внутри плазмы области с повышенной плотностью и температурой, называемые внутренними транспортными барьерами.

Включено более 3600 разрядов. Фиолетовые ромбы показывают эксперименты с высоким βP, проведенные в 2019 году с инжекцией примесей. Синие квадраты — новые эксперименты с высоким βP, проведенные в 2022 году без введения примесей. Желтые круги представляют все остальные эксперименты, проведенные в 2019-2022 годах. Область, заштрихованная оранжевым цветом, обозначает пространство параметров для привлекательных дизайнов FPP. Вертикальная и горизонтальная пунктирные линии показывают fГр = 1,0 и H98Я2 = 1,0, соответственно.
Автор: Ding, S., Garofalo, A.M., Wang, H.Q. et al. A high-density and high-confinement tokamak plasma regime for fusion energy. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07313-3 (CC-BY 4.0) Источник: www.nature.com

Результаты оказались впечатляющими. Ученым удалось достичь плотности плазмы на 20% выше предела Гринвальда и параметра H98y2 на 50% выше стандартного значения для высокоэффективного режима удержания. Это означает, что впервые в истории термоядерных исследований удалось выйти в область параметров, необходимую для создания экономически выгодного реактора.

Кроме того, новый режим работы токамака позволил решить еще одну важную проблему — уменьшить интенсивность краевых магнитогидродинамических неустойчивостей, известных как ELM. Эти неустойчивости приводят к большим тепловым нагрузкам на стенки реактора, что может привести к их повреждению. В новом режиме работы интенсивность ELM значительно снизилась, что существенно увеличивает срок службы реактора.

Исследования показали, что в режиме высокого βP турбулентный транспорт, ответственный за потери энергии, снижается при высокой плотности плазмы. Это объясняется тем, что при высоких значениях βP и локального коэффициента безопасности q происходит так называемая α-стабилизация, подавляющая развитие турбулентности.


a, Умеренный αMHD случай из высокоβP разряда на рис. 2. Синим цветом показано сканирование Fp в приближении с постоянной ∇p, а лазурным — в приближении с постоянной ∇T. Экспериментальное (Exp.) значение Fp указано черной стрелкой. b, Случай высокого αMHD из высокоβP-разряда на рис. 2. Та же цветовая кодировка, что и в a. c, d, Профили температуры (c) и плотности (d) для случая Н-режима с низким q95, проанализированного в e и f. Пунктирные линии показывают радиальное расположение для анализа переноса. e, f, Двумерные развертки нормированного турбулентного потока электронного тепла по Fp и локальному q на основе данных Н-режима с низким q95, показанных в c и d. Полное экспериментальное βe (e) и половинное экспериментальное βe (f). Точка экспериментальных данных из разряда low-q95 отмечена синей звездочкой в e.
Автор: Ding, S., Garofalo, A.M., Wang, H.Q. et al. A high-density and high-confinement tokamak plasma regime for fusion energy. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07313-3 (CC-BY 4.0) Источник: www.nature.com

Таким образом, эксперименты на токамаке DIII-D показали, что режим высокого βP открывает путь к созданию термоядерного реактора, удовлетворяющего требованиям по плотности, удержанию энергии и снижению тепловых нагрузок на стенки.

Конечно, на пути к термоядерной электростанции еще предстоит решить множество проблем, таких как работа с металлическими стенками и отвод гелия. Но достигнутые результаты дают надежду на то, что термоядерная энергия станет реальностью уже в ближайшем будущем.

Если для достижения высокой плотности плазмы требуется высокая плотность дейтерия, почему не использовать чистый дейтерий вместо смеси дейтерия и трития?

Действительно, дейтерий-тритиевая (D-T) реакция требует высокой плотности дейтерия. Однако, несмотря на это, использование чистого дейтерия не является оптимальным решением. D-T реакция имеет гораздо больший выход энергии и происходит при меньших температурах, чем D-D реакция. Это делает D-T реакцию более выгодной с точки зрения энергоэффективности.

Каковы основные проблемы, которые необходимо решить для создания термоядерного реактора на основе режима высокого βP?

Несмотря на перспективность режима высокого βP, существуют еще ряд проблем, которые необходимо решить:

Работа с металлическими стенками: Высокоэнергетические нейтроны, образующиеся в D-T реакции, могут повреждать металлические стенки реактора. Необходимо разработать материалы, стойкие к такому воздействию.

Отвод гелия: Гелий — это побочный продукт D-T реакции, который может накапливаться в плазме и ухудшать её параметры. Необходимо разработать эффективные методы отвода гелия из реактора.

Длительность импульса: В настоящее время длительность импульса в токамаках ограничена несколькими секундами. Для создания энергетически выгодного реактора необходимо научиться поддерживать режим высокого βP в течение длительного времени.

Можно ли использовать режим высокого βP в существующих токамаках, таких как ITER?

Да, режим высокого βP может быть реализован в существующих токамаках, включая ITER. В настоящее время ведутся исследования по разработке сценариев работы ITER в режиме высокого βP.