Korea Institute of Fusion Energy (KFE)
Команда ученых из Корейского института термоядерной энергии и Сеульского национального университета объявила об открытии нового режима работы термоядерного реактора KSTAR, или «искусственного солнца». Теперь плазма будет удерживаться при сверхвысоких температурах свыше 100 млн °C. Это позволит получить больше недорогой термоядерной энергии. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Ядерный синтез — одна из наиболее привлекательных альтернатив углеродозависимым источникам энергии. Термоядерные реакции происходят в звездах, например на Солнце. Для получения энергии в результате термоядерной реакции необходимо стабильно и долго удерживать сверхгорячую и плотную плазму в термоядерном реакторе. Несмотря на многолетние исследования в этой области, современные устройства магнитного термоядерного синтеза пока не могут достичь устойчивых характеристик. Теперь же корейские ученые рассказали об экспериментах на устройстве Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) — корейском «искусственном солнце».
Основным методом работы с плазмой для термоядерных реакторов считается Н-режим — режим магнитного удержания, при котором используются тороидальные и полоидальные сверхпроводящие магниты. Иногда используется краевой транспортный барьер — барьер вокруг плазмы, который препятствует выходу тепла из нее. А иногда — внутренний транспортный барьер, который создает более высокое давление вблизи центра плазмы. Однако у обоих подходов есть недостаток — возникновение плазменной неустойчивости, так называемого краевого локализованного режима, при котором давление на краю плазмы превышает максимально допустимое значение. Из-за этого плазма рвется, как воздушный шар. Поскольку это может привести к повреждению внутренних стенок реактора, исследователи разрабатывают более стабильный режим работы плазмы.
Исследователи разработали новый режим плазменного синтеза, при котором плазма удерживается при температуре 100 млн °C продолжительностью до 20 секунд без краевых неустойчивостей плазмы или накопления примесей. Анализируя экспериментальные данные работы KSTAR и моделируя их, исследователи обнаружили, что быстрые ионы (высокоэнергетические частицы, образующиеся в результате внешнего нагрева) стабилизируют турбулентность внутри плазмы, что приводит к резкому повышению ее температуры. Этот новоизобретенный режим плазмы был назван режимом усиления, регулируемым быстрыми ионами (FIRE). «Есть три элемента, которые необходимо учитывать при осуществлении термоядерных реакций: плотность, температура и время удержания. Среди этих трех элементов мы применили новый подход, сосредоточившись на температуре. Точнее говоря, сконцентрировав возможности нагрева KSTAR на ядре плазмы при низкой плотности, мы смогли разработать режим FIRE», — рассказал Хенсун Хан, первый автор статьи.
Поскольку режим FIRE может улучшить характеристики плазмы по сравнению с H-режимом, он открывает новые возможности для разработки технологии эксплуатации плазмы для коммерческих термоядерных реакторов в будущем, а также способствует работе Международного термоядерного экспериментального реактора.
Ученые планируют улучшить производительность и время работы плазмы KSTAR при температуре более 100 млн °C, продолжив изучать режим FIRE и быстрые ионы.
Автор: Мария Денисенко