На южнокорейском термоядерном реакторе KSTAR (Korean Superconducting Tokamak Advanced Research) достигнут один из мировых рекордов удержания плазмы. Разогретый до 50 миллионов градусов Цельсия, что в три раза горячее температуры в ядре Солнца, водород в современном сверхпроводящем токамаке удалось сохранить в режиме H-моды в течение 70 секунд. О работе физиков из Республики Корея рассказывает «Лента.ру».
В термоядерных реакторах происходят реакции синтеза тяжелых элементов из легких, в частности, образование гелия в результате слияния дейтерия и трития. Этим они отличаются от обычных ядерных реакторов, где инициируются процессы распада тяжелых ядер на более легкие. Наиболее популярная установка для термоядерного синтеза — токамак (тороидальная камера с магнитными катушками), предложенная в 1951 году советскими физиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом. В таком реакторе плазма удерживается магнитным полем и имеет форму тороидального шнура, по которому пропускается электрический ток.
Установка KSTAR южнокорейского Национального института термоядерных исследований расположена в городе Тэджон в 160 километрах к югу от Сеула. Это токамак. Проект был утвержден в 1995 году, однако из-за азиатского финансового кризиса 1997-1998 годов его реализацию отложили. Реактор построили к осени 2007-го, а летом следующего года в него впервые пустили плазму.
Большой радиус тора южнокорейского токамака равен 1,8 метра, малый — 0,5 метра, максимальная индукция магнитного поля в центре плазменного шнура — 3,5 тесла, максимальный ток в плазме — 2 мегаампер. Эти параметры позволяют KSTAR войти в десятку крупнейших в мире токамаков. Однако главная его особенность — полностью сверхпроводящая магнитная система, увеличивающая габариты установки до 8,6 метра в высоту и 8,8 метра в диаметре.
Такая конструкция позволяет получить магнитное поле с необходимыми параметрами без потерь на тепло. Для этого сверхпроводящие магниты охлаждаются до температуры минус 269 градусов Цельсия. Плазма сформирована протием и дейтерием — изотопами водорода с одним и двумя нуклонами в ядре, но не тритием, необходимым для ядерного синтеза. Тем не менее этого достаточно для исследований физики плазмы, необходимых для успешного запуска международного экспериментального термоядерного реактора ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).
KSTAR стал первым в мире сверхпроводящим токамаком, где разогретый до 50 миллионов градусов Цельсия водород удалось удержать в режиме H-моды в течение 70 секунд. В режиме H-моды KSTAR заработал в ноябре 2010 года. Постепенно, с 2011 года, южнокорейские физики нарастили время удержания плазмы с 5,2 до 70 секунд. Режим H-моды, обеспечивающий одновременное снижение тепловых потерь и рост температуры в центре плазмы, то есть фактическое повышение энергетического выхода установки, был выявлен в 1982 году в ходе экспериментов на немецком токамаке ASDEX (Axially Symmetric Divertor Experiment).
К сожалению, режиму H-моды присущи ELM-нестабильности: на периферии плазмы формируются турбулентности, из-за чего она попадает на пластины дивертора — устройства для удаления частиц, способствуя его разрушению. На KSTAR научились подавлять ELM-нестабильности, разместив на внутренней стенке вакуумной камеры специальные магниты, которые отводят избыток энергии от периферии плазменного шнура.
Главные конкуренты южнокорейских ученых, по всей видимости, — их китайские коллеги. На сверхпроводящей установке EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) специалисты Института физики плазмы Академии наук КНР добились еще более впечатляющих результатов. Разогретую до 50 миллионов градусов Цельсия плазму удалось сохранить в режиме H-моды в течение минуты неиндуктивного горения. Это означает, что ток в плазме поддерживался системами ее нагрева — инжекторами и радиоисточниками, а не наведенным током в центральном соленоиде, как при индуктивном горении.
Величина кольцевого тока меняется в узком интервале значений, поэтому длительность электрического импульса ограничена во времени. Существует возможность работы соленоида в переменном режиме, однако это требует больших затрат энергии. Неиндуктивное горение в KSTAR также возможно, но корейцы в этом направлении отстают от китайцев.
Ученым КНР на EAST, между прочим, в феврале 2016 года удалось удержать в равновесном состоянии в течение 102 секунд разогретую до 50 миллионов градусов Цельсия плазму, правда, не в режиме H-моды. Примечательно, что эта установка представляет собой модифицированную версию реактора HT-7, построенного при сотрудничестве с СССР и Россией.
Реактор ITER также должен работать в режиме H-моды. На первоначальном этапе планируется гибридное горение, затем — только неиндукционное. Поэтому исследования, проводимые на современных реакторах типа KSTAR и EAST, особенно актуальны.
Такие страны, как Китай, Южная Корея, Япония (установка JT-60SA) и Франция (реактор Tore Supra) в настоящее время наиболее интенсивно развивают исследования в области термоядерного синтеза, в отличие от США и Великобритании. В США закрыли Alcator C-Mod — один из двух самых мощных термоядерных реакторов в стране. Британскому JET (Joint European Torus), крупнейшему в мире токамаку, предрекают финансовые трудности из-за Brexit.
«Китай — единственная страна в мире, нарастившая бюджет термоядерных исследований, — отметил физик Ло Гуаннань, заместитель директора проекта EAST. — Финансирование в Европе сократилось, предложение о строительстве новых исследовательских центров в США отклонено Конгрессом, прогресса в Японии нет». Его коллега, физик Вань Юаньси, занимающийся исследованиями термоядерного синтеза в Китайской академии наук, надеется, что именно в КНР будет построена первая в мире термоядерная электростанция.