Установлен новый рекорд для термоядерной реакции — но это не главный итог эксперимента

Международная группа ученых смогла добиться того, чтобы термоядерная реакция поддерживалась в специальной установке, токамаке, в течение шести минут при температуре плазмы, которая была более чем в три раза выше, чем в ядре Солнца.

Но не менее важно, что ученые в это время успешно испытали прибор нового поколения, который поможет выяснить: что мешает «приручить» термоядерный синтез. Об этом сообщает Принстонская лаборатория физики плазмы (США).

Стабильная реакция

Ядерный синтез — это процесс, которых проходит в звездах. Он высвобождает огромное количество энергии, когда ядра атомов соединяются вместе в более крупные. Поскольку звезды огромные, реакция синтеза идет в них при очень высоком давлении — но на Земле достичь его невозможно, поэтому реакции синтеза должны происходить при очень высоких температурах.

Некоторые считают, что за этой технологией будущее, но пока она в зачаточном состоянии: поддерживать нужную температуру плазмы удается считанные минуты, а энергии в результате реакции нередко выделяется даже меньше, чем потрачено на запуск токамака.

Новый эксперимент был проведен во Франции, на термоядерном устройстве, известном как WEST. Его особенность в том, что стенки покрыты не графитом, а вольфрамом. Дело в том, что углерод имеет свойство удерживать топливо в стенке, что будет неприемлемо для реальной, а не экспериментальной энергоустановки. Вольфрам удерживает гораздо меньше топлива. Но, с другой стороны, металл осложняет сам процесс реакции: если даже незначительное его количество попадет в плазму, оно может быстро охладить ее.

«Мы достигли стабильного режима, несмотря на то, что находимся в сложных условиях из-за этой вольфрамовой стенки», — отмечает Ксавье Литаудон, председатель группы по координации международных проблем при длительной эксплуатации (CICLOP) при Международном энергетическом агентстве.

Устройство поддерживало термоядерную плазму температурой примерно 50 миллионов °C в течение рекордных шести минут. Потребляемая мощность составила 1,15 гигаджоулей. При этом реакция дала на 15% больше энергии, чем прошлые, и плазма обладала вдвое большей плотностью, чем раньше.

Тут стоит отметить, что исследования в этом направлении ведут сразу несколько научных групп по всему миру. И месяц назад Корейский институт термоядерной энергии отчитался о нагреве плазмы до 100 миллионов градусов (в семь раз горячее солнечного ядра), но удержать ее получилось только на 48 секунд. А год назад Экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST) в Китае удерживал плазму с длинным импульсом в течение 403 секунд (это более шести с половиной минут), однако тогда о температуре плазмы не сообщалось вовсе.

Внутри плазмы

Как уже говорилось, технология термоядерного синтеза пока очень несовершенна и до реального использования ей очень далеко. Чтобы лучше понять, что мешает стабилизировать процесс и получать из него требующийся объем энергии, ученые Принстонской лаборатории физики плазмы разработали комплекс устройств, который позволяет рассмотреть термоядерную реакцию изнутри. Эту систему испытали как раз во время последнего пуска WEST.

«Диагностический комплекс измеряет рентгеновское излучение, создаваемое плазмой. Благодаря измерению этого излучения мы можем сделать выводы об очень важных параметрах плазмы, таких как температура электронов в самом центре плазмы, где она самая горячая», — рассказывает один из разработчиков Туллио Барбуи.

Новое устройство, мультиэнергетическая камера мягкого рентгеновского излучения ME-SXR, уникально тем, что можно сделать тонкую настройку и задать разные параметры замера для разных точек наблюдения. Предыдущие системы, во-первых, не могли считывать одновременно разные характеристики из разных мест. А во-вторых, — их работе нередко мешали радиоволны, эффект которых удалось нивелировать в ME-SXR.

Метод съемки основан на фиксации излучения, известного как тормозное. Оно возникает, когда электрон меняет направление и замедляется. Но такое излучение может возникать не только в плазме, но и исходить от вольфрамовых стенок — а значит, ученым надо было найти способ разделить их и фиксировать только нужное.

«Энергетический диапазон фотонов между 11 и 18 килоэлектронвольтами показался нам перспективным. Именно в этом диапазоне должно было находиться излучение сердца плазмы, которое никогда раньше не исследовалось», — поясняет руководитель перспективных проектов Принстонской лаборатории Луис Дельгадо-Апарисио.

Специальная калибровка измерительного комплекса позволила фиксировать показания для каждого уровня энергии от 11 до 18 кэВ — как раз благодаря той самой возможности одновременно задать разные параметры замера для разных точек наблюдения. В секунду выполнялось примерно 10 измерений. Хитрость заключается в том, чтобы использовать энергию на уровне 11 кэВ в качестве эталонного показателя, и постоянно сравнивать с ним остальные семь уровней интенсивности.

В данном случае удалось рекордно точно замерить температуру электронов в сердце плазмы во время работы токамака. Однако, подобным образом можно выяснить заряд, а также исследовать примеси, которые в данном случае, в основном, представлены вольфрамом со стенок установки.

«Фактически, эта "камера с энергетическим разрешением" открывает новый способ для анализа [процессов, происходящих во время реакции]. Эксплуатировать установку с вольфрамовым покрытием крайне сложно. Но благодаря этим новым измерениям у нас будет возможность отследить наличие частиц вольфрама внутри плазмы и понять, как они туда перемещаются со стенок. Это может помочь минимизировать количество вольфрама и обеспечить оптимальные условия для термоядерного синтеза», — отмечается в сообщении со ссылкой на председателя CICLOP Литаудона.