Плазма 40 млн °C — и ни капли паники. Wendelstein 7-X заставил мир снова поверить в термояд
NewsMakerФизики затаили дыхание на 43 секунды, пока стеллатор изо всех сил удерживал энергию звезды.
22 мая завершилась новая исследовательская кампания на крупнейшем в мире стеллараторе Wendelstein 7-X . Эта установка, работающая в немецком Грайфсвальде под эгидой Института физики плазмы Общества Макса Планка, достигла сразу нескольких рубежей, важнейшим из которых стал мировой рекорд по тройному произведению — ключевому параметру в физике управляемого термоядерного синтеза .
Тройное произведение (или критерий Лоусона) объединяет три критически важных характеристики плазмы: плотность частиц, их температуру и время удержания энергии. Только если произведение этих величин превышает определённый порог, реакция синтеза может перейти в режим энергетической самоокупаемости — то есть производить больше энергии, чем требуется для её подогрева.
Рекорд был установлен в финальный день работы в рамках серии OP 2.3. Плазма с высоким значением тройного произведения удерживалась на протяжении 43 секунд — дольше, чем на любой установке токамак-типа при сопоставимых условиях. До этого лидерами считались японский комплекс JT60U и европейский JET, завершившие свою работу в 2008 и 2023 годах соответственно. Они сохраняют преимущество по краткосрочным импульсам, но по длительной стабильности удержания плазмы Wendelstein 7-X теперь вырывается вперёд.
Несмотря на конструкционную сложность, стеллараторы обладают рядом серьёзных преимуществ перед токамаками. Главным среди них считается возможность непрерывной работы без необходимости индуцировать ток внутри плазмы. Это делает такие устройства потенциально более надёжными и предсказуемыми при долговременной эксплуатации. Сам стелларатор представляет собой установку, в которой удержание раскалённой плазмы осуществляется исключительно с помощью внешнего магнитного поля, создаваемого сложной системой катушек.
Ключевую роль в достижении новых результатов сыграло сотрудничество между европейскими исследовательскими центрами и американскими инженерами. В частности, значительный вклад внесла команда Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) при Министерстве энергетики США, разработавшая уникальный инжектор замороженных водородных пеллет, который обеспечил равномерную подачу топлива в магнитную ловушку, чтобы увеличить длительность удержания.
В течение короткого времени в камеру реактора было направлено около 90 пеллет диаметром около миллиметра. Одновременно происходил нагрев плазмы при помощи микроволновой энергии. Точное согласование между подачей топлива и мощностью облучения оказалось критически важным: малейший сбой в синхронизации нарушил бы тонкий энергетический баланс.
Особенность инжектора - его программируемое управление частотой выстрелов. Подобная схема впервые применялась на практике и успешно реализовалась в W7-X. Эта методика имеет прямое значение для перспективных термоядерных реакторов, в которых плазму потребуется поддерживать не секунды, а, как минимум, несколько минут.
Надёжная работа устройства обеспечивается системой, формирующей сплошной цилиндр из замороженного водорода диаметром 3 мм. Из него вырезаются сегменты длиной 3,2 мм и ускоряются до скоростей порядка 300–800 метров в секунду перед впрыском в реакционную зону.
Метод облучения основан на явлении электронного циклотронного резонанса, который считается одним из наиболее эффективных способов нагрева плазмы до температур, необходимых для синтеза. В ходе проведённого сеанса температура внутри установки превышала 20 миллионов градусов, а на пиках достигала 30 млн. В отдельных режимах температура ионов поднималась до 40 миллионов.
Для измерения параметров среды применялись различные диагностические комплексы. Рентгеновский спектрометр Принстонской лаборатории обеспечивал данные по ионной температуре, а уникальный интерферометр IPP позволял отслеживать плотность электронов. Время удержания энергии определялось с помощью собственного набора измерительных систем института.
Помимо достижения рекордного значения тройного произведения, в рамках программы OP 2.3 были зафиксированы и другие важные рубежи. Например, суммарный энергетический оборот системы был увеличен до 1,8 гигаджоулей при продолжительности удержания в 360 секунд. Предыдущий максимум в 1,3 ГДж был достигнут в феврале 2023 года. Отличное свидетельство того, что установка способна не только сохранять энергию, но и эффективно отводить тепловую нагрузку.
Также впервые во всём объёме плазмы удалось достичь давления, соответствующего 3% от давления магнитного поля. Для этого мощность магнитной ловушки была намеренно снижена до 70% от стандартного уровня. Отношение между внутренним и внешним давлением — критически важный параметр при проектировании коммерческих реакторов: для них требуется стабильность результатов в пределах 4–5%.
Таким образом, Wendelstein 7-X не только приблизился к параметрам, необходимым для практической энергетики. Он доказал, что стелларатор — это не просто теоретически интересный объект, а реальный кандидат на роль основы энергетики будущего.
22 мая завершилась новая исследовательская кампания на крупнейшем в мире стеллараторе Wendelstein 7-X . Эта установка, работающая в немецком Грайфсвальде под эгидой Института физики плазмы Общества Макса Планка, достигла сразу нескольких рубежей, важнейшим из которых стал мировой рекорд по тройному произведению — ключевому параметру в физике управляемого термоядерного синтеза .
Тройное произведение (или критерий Лоусона) объединяет три критически важных характеристики плазмы: плотность частиц, их температуру и время удержания энергии. Только если произведение этих величин превышает определённый порог, реакция синтеза может перейти в режим энергетической самоокупаемости — то есть производить больше энергии, чем требуется для её подогрева.
Рекорд был установлен в финальный день работы в рамках серии OP 2.3. Плазма с высоким значением тройного произведения удерживалась на протяжении 43 секунд — дольше, чем на любой установке токамак-типа при сопоставимых условиях. До этого лидерами считались японский комплекс JT60U и европейский JET, завершившие свою работу в 2008 и 2023 годах соответственно. Они сохраняют преимущество по краткосрочным импульсам, но по длительной стабильности удержания плазмы Wendelstein 7-X теперь вырывается вперёд.
Несмотря на конструкционную сложность, стеллараторы обладают рядом серьёзных преимуществ перед токамаками. Главным среди них считается возможность непрерывной работы без необходимости индуцировать ток внутри плазмы. Это делает такие устройства потенциально более надёжными и предсказуемыми при долговременной эксплуатации. Сам стелларатор представляет собой установку, в которой удержание раскалённой плазмы осуществляется исключительно с помощью внешнего магнитного поля, создаваемого сложной системой катушек.
Ключевую роль в достижении новых результатов сыграло сотрудничество между европейскими исследовательскими центрами и американскими инженерами. В частности, значительный вклад внесла команда Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) при Министерстве энергетики США, разработавшая уникальный инжектор замороженных водородных пеллет, который обеспечил равномерную подачу топлива в магнитную ловушку, чтобы увеличить длительность удержания.
В течение короткого времени в камеру реактора было направлено около 90 пеллет диаметром около миллиметра. Одновременно происходил нагрев плазмы при помощи микроволновой энергии. Точное согласование между подачей топлива и мощностью облучения оказалось критически важным: малейший сбой в синхронизации нарушил бы тонкий энергетический баланс.
Особенность инжектора - его программируемое управление частотой выстрелов. Подобная схема впервые применялась на практике и успешно реализовалась в W7-X. Эта методика имеет прямое значение для перспективных термоядерных реакторов, в которых плазму потребуется поддерживать не секунды, а, как минимум, несколько минут.
Надёжная работа устройства обеспечивается системой, формирующей сплошной цилиндр из замороженного водорода диаметром 3 мм. Из него вырезаются сегменты длиной 3,2 мм и ускоряются до скоростей порядка 300–800 метров в секунду перед впрыском в реакционную зону.
Метод облучения основан на явлении электронного циклотронного резонанса, который считается одним из наиболее эффективных способов нагрева плазмы до температур, необходимых для синтеза. В ходе проведённого сеанса температура внутри установки превышала 20 миллионов градусов, а на пиках достигала 30 млн. В отдельных режимах температура ионов поднималась до 40 миллионов.
Для измерения параметров среды применялись различные диагностические комплексы. Рентгеновский спектрометр Принстонской лаборатории обеспечивал данные по ионной температуре, а уникальный интерферометр IPP позволял отслеживать плотность электронов. Время удержания энергии определялось с помощью собственного набора измерительных систем института.
Помимо достижения рекордного значения тройного произведения, в рамках программы OP 2.3 были зафиксированы и другие важные рубежи. Например, суммарный энергетический оборот системы был увеличен до 1,8 гигаджоулей при продолжительности удержания в 360 секунд. Предыдущий максимум в 1,3 ГДж был достигнут в феврале 2023 года. Отличное свидетельство того, что установка способна не только сохранять энергию, но и эффективно отводить тепловую нагрузку.
Также впервые во всём объёме плазмы удалось достичь давления, соответствующего 3% от давления магнитного поля. Для этого мощность магнитной ловушки была намеренно снижена до 70% от стандартного уровня. Отношение между внутренним и внешним давлением — критически важный параметр при проектировании коммерческих реакторов: для них требуется стабильность результатов в пределах 4–5%.
Таким образом, Wendelstein 7-X не только приблизился к параметрам, необходимым для практической энергетики. Он доказал, что стелларатор — это не просто теоретически интересный объект, а реальный кандидат на роль основы энергетики будущего.