На корейському реакторі встановлений світовий рекорд по утриманню плазми

Відео: Майбутнє термоядерної енергетики

Термоядерний реактор KSTAR Фото: nfri.re.kr

Південнокорейський термоядерний реактор KSTAR встановив один зі світових рекордів з утримання плазми. Водень, який був розігрітий до 50 мільйонів градусів за Цельсієм (цей показник в три рази перевищує температуру в ядрі Сонця), вченим вдалося зберегти в надпровідний сучасному токамаке в режимі Н-моди протягом 70 секунд.

У термоядерному реакторі відбувається синтез важких елементів з легких. Одна з таких реакцій синтезу - освіту гелію внаслідок злиття тритію і дейтерію. Саме цим термоядерні реактори відрізняються від ядерних, де відбувається розпад важких ядер на більш легкі. Найпопулярнішою установкою для проведення термоядерного синтезу є токамак. Це торовідная камера з магнітними індукторами, яку в 1951 році запропонували радянські фізики Ігор Томм і Андрій Сахаров. У такому реакторі відбувається утримання плазми за допомогою магнітного поля, яка набуває форми тороїдального джгута, за яким йде електричний струм.

Відео: світовий рекорд Ан 124 100

Південнокорейська установка KSTAR належить Національному інституту термоядерних досліджень і знаходиться в 160 кілометрах від Сеула, в місті Теджон. Це токамак. Проект установки затвердили в 1995 році, проте внаслідок азіатської фінансової кризи, який відбувся в 1997-1998 роках, реалізація його була відкладена. Побудований реактор був до осені 2007 року, а через рік у нього була вперше пущена плазма.

Малий радіус реактора досягає 0,5 метра, великий - дорівнює 1,8 метра, максимальний струм в плазмі дорівнює 2 мегаампер, а максимальна індукція магнітного поля в плазмовому шнурі - 3,5 тесла. Завдяки цим параметрам реактор KSTAR входить в десять найбільших токамаков в світі. Втім, головною його особливістю є магнітна система, повністю надпровідна, яка збільшує габарити реактора до 8,8 метрів в діаметрі і 8,6 метрів у висоту.

Подібна конструкція дає можливість отримати магнітне поле з потрібними характеристиками і при цьому не втрачати енергію на тепло. З цією метою надпровідні магніти охолоджують до температурних показників, рівних мінус 269 градусів за Цельсієм. Плазму формують ізотопи водню з одним або декількома нуклонами в ядрі - проти і дейтерій, але не тритій, який необхідний для реакції ядерного синтезу. У той же час, його цілком достатньо для проведення досліджень плазми, які необхідні, щоб успішно запустити міжнародний експериментальний термоядерний реактор ITER.

Термоядерний реактор KSTAR став першою в світі сверхпроводящей установкою, в якій в режимі Н-моди вдалося утримати водень, розігрітий до 50 мільйонів градусів за Цельсієм, на протязі 70 секунд. Працювати в режимі Н-моди токамак почав в кінці осені 2010 року. Починаючи з 2011 року південнокорейськими фізиками час утримання плазми поступово нарощувалось з 5,2 до 70 секунд. Сам режим Н-моди, який забезпечує зростання температурних показників в центрі плазми і зниження теплових втрат, виявили в 1982 році в процесі проведення експериментів на німецькому реакторі ASDEX.

Відео: Термоядерний реактор токамак запущений в ВКО

Як відзначають вчені, режим Н-моди характеризується ELM-нестабільністю: формуванням турбулентності на периферії плазми, внаслідок чого вона потрапляє на пристрої для видалення частинок - дивертора. На токамаке KSTAR вчені навчилися ці нестабільності пригнічувати. Для цього на внутрішніх стінках вакуумної камери були розміщені спеціальні магніти, що відводять від периферії плазмового шнура надлишок енергії.

Головними конкурентами вчених з Південної Кореї, мабуть, є їхні колеги з Китаю, зокрема, фахівцям Інституту фізики плазми АН КНР, яким вдалося досягти ще більш вражаючих результатів на сверхпроводящем реакторі EAST. Вони зуміли в режимі Н-моди розігріту до 50 мільйонів градусів за Цельсієм плазму зберегти протягом хвилини в стані неіндуктівний горіння. Іншими словами, струм в плазмі підтримувався не наведення струмом в центральній котушці, як при індуктивному горінні, а радіоджерелами і інжекторами.

Відео: Енергетика майбутнього. проект ІТЕР

Для величини кільцевого струму характерним є вузький інтервал зміни значень, що робить тривалість електричного струму обмеженою в часі. Котушка може працювати в змінному режимі, але для цього необхідні великі витрати енергії. У токамаке KSTAR також можливо неіндуктівний горіння, то корейські вчені відстають в даному напрямку від своїх китайських колег.

Китайські вчені на своїй установці, до слова сказати, в лютому поточного року зуміли протягом 120 секунд утримати в стані рівноваги плазму, розігріту до 50 мільйонів градусів за Цельсієм, але не в режимі Н-моди. Цікаво, що установка EAST - це модифікована версія реактора НТ-7, який був побудований у співпраці з Радянським Союзом.

У режимі Н-моди також повинен працювати і міжнародний реактор ITER. Передбачається, що на першому етапі буде відбуватися гібридне горіння, а пізніше - виключно неіндукціонное. Саме тому, що проводяться на реакторах EAST і KSTAR дослідження вкрай актуальні.

В даний час головними засновниками ITER є Європейський Союз, Китай, Індія, Південна Корея, США, Росія і Японія. В рамках проекту зайнято близько 35 країн, загальне населення яких не перевищує половину населення планети. З 1994 року за квотою Росії в даному проекті бере участь і Казахстан. Терміни запуску реактора багато разів переносилися, в даний час вчені говорять про те, що експерименти почнуться в 2025 році.

На сьогоднішній день Японія, Китай, Південна Корея і Франція, на відміну від Великобританії і США, найбільш інтенсивно займаються розвитком досліджень в області термоядерного синтезу. У Штатах був закритий один з найбільш потужних термоядерних реакторів в країні - Alcator C-Mod. А британський JET, який є найбільшим в світі токамака, може зіткнутися з великими фінансовими труднощами через Brexit.

За словами заступника директора проекту EAST, фізика Ло Гуаннаня, Китай є єдиною країною в світі, яка збільшила бюджет термоядерних досліджень. В Європі фінансування скоротилося, в США пропозиції про будівництво нових дослідницьких центрів відхилив Конгрес, в Японії також немає ніякого прогресу. Все це дало привід китайському фізику Вань Юаньсі, який в китайській Академії наук займається дослідженнями термоядерного синтезу, сподіватися на те, що саме в Китаї побудують першу в світі термоядерну електростанцію.