Международный экспериментальный реактор ITER, который в настоящее время строится на юге Франции, представляет собой передовой способ получения энергии на термоядерной электростанции. Конструкция соответствует принципу токамака: термоядерная плазма с температурой более 100 миллионов градусов удерживается в магнитном поле, имеющем форму пончика. Эта концепция предотвращает контакт горячей плазмы с ограждающей стенкой и ее повреждение. Эксперимент на токамаке ASDEX Upgrade в IPP в Гархинге недалеко от Мюнхена служит образцом для ITER и более поздних термоядерных электростанций.
Горячая плазма может быть ближе к дивертору
Центральным элементом ASDEX Upgrade и всех современных установок магнитного синтеза является дивертор. Это часть стенки сосуда, которая отличается особой термостойкостью и требует сложной конструкции.
В дивертор поступает тепло от плазмы на стене. В более поздних электростанциях продукт синтеза гелий-4 также будет извлекаться там» «В этом регионе нагрузка на стену особенно высока. Таким образом, диверторные плитки ASDEX Upgrade, а также ITER сделаны из вольфрама, химического элемента с самой высокой температурой плавления (3422°C)
— профессор Ульрих Штрот, глава отдела плазменных кромок и стен в IPP.
Без контрмер 20% термоядерной мощности плазмы достигло бы поверхностей дивертора. Приблизительно 200 мегаватт на квадратный метр, это примерно те же условия, что и на поверхности Солнца. Однако дивертор в ITER, а также будущие термоядерные электростанции смогут выдерживать максимум 10 мегаватт на квадратный метр. По этой причине в плазму добавляют небольшие количества примесей (часто азота). Они извлекают большую часть тепловой энергии, преобразовывая ее в ультрафиолет. Тем не менее край плазмы необходимо держать на расстоянии от дивертора, чтобы защитить его. В обновлении ASDEX до сих пор это расстояние было не менее 25 сантиметров.
Радиатор X-point: новые возможности для конструкции термоядерного реактора
Ученым из IPP удалось сократить это расстояние до менее чем 5 сантиметров.
Для этого мы используем X-point-радиатор — явление, которое мы обнаружили около десяти лет назад во время экспериментов на ASDEX Upgrade. X-point возникает в магнитных клетках особой формы, когда количество добавленного азота превышает определенное значение. Это приводит к образованию небольшого плотного объема, который особенно сильно излучает в УФ-диапазоне. Такие примеси дают нам несколько худшие свойства плазмы, но если мы установим излучатель X-point в фиксированное положение, изменяя подачу азота, мы сможем проводить эксперименты на более высокой мощности, не повреждая устройство
— доктор Матиас Бернерт.
По признанию ученых, в открытии им помог случай:
Мы случайно переместили край плазмы намного ближе к дивертору, чем планировали. Мы были очень удивлены, что ASDEX Upgrade без проблем справился с этим. Поскольку эффект может быть подтвержден в дальнейших экспериментах, исследователи теперь знают: при наличии X-point, значительно большая часть тепловой энергии преобразуется в УФ-излучение, чем предполагалось ранее. При этом плазма излучает до 90% энергии во всех направлениях
— физик IPP доктор Тилманн Лант.
Термоядерные электростанции могут быть компактнее и дешевле
Результаты исследования приводит к выводам, которые могут оказаться очень благоприятными для строительства будущих термоядерных электростанций:
Диверторы могут быть меньше и технологически намного проще, чем раньше. Поскольку плазма перемещается ближе к дивертору, объем вакуумной камеры может быть использован оптимальнее. Первоначальные расчеты показывают, что если бы сосуд имел оптимальную форму, то можно было бы практически удвоить объем плазмы при сохранении тех же размеров. Это также увеличило бы достижимую мощность термоядерного синтеза. Но исследователям сначала предстоит проверить это в дальнейших экспериментах.
Кроме того, использование излучателя с X-point также помогает против краевых локализованных мод (ELM): сильных энергетических выбросов на краю плазмы, которые повторяются через равные промежутки времени и выбрасывают около десятой части энергии плазмы к стенке. Для ITER и других реакторов такие выбросы фатальны.
Излучатель X-point открывает для нас совершенно новые возможности в разработке силовой установки. Мы будем дальше исследовать теорию, лежащую в его основе, и попытаемся лучше понять ее с помощью новых экспериментов на ASDEX Upgrade
— директор IPP Ульрих Штрот.
Гархингский токамак скоро будет идеально оборудован для этого: к лету 2024 года он будет оснащен новым верхним дивертором. Специальные катушки позволят свободно деформировать магнитное поле вблизи дивертора и, таким образом, оптимизировать условия для излучателя X-point.
