Немецкая термоядерная установка Wendelstein 7-X, крупнейший в мире стелларатор, установила мировой рекорд по ключевому параметру физики термоядерного синтеза — тройному произведению. Это значение теперь превышает предыдущие рекорды токамаков для длительных плазменных разрядов.
В ходе последней экспериментальной кампании, завершившейся 22 мая, исследователи из Европы и США достигли нового пикового значения этого ключевого параметра термоядерного синтеза, рассчитываемого путем перемножения плотности топлива, температуры топлива и времени удержания, в течение 43 секунд. Хотя это превышает предыдущие рекорды токамаков для длительных плазменных разрядов, токамаки остаются рекордсменами по коротким временам удержания плазмы.
Институт физики плазмы Макса Планка (IPP) сообщает, что новый мировой рекорд тройного произведения для длинных импульсов стал возможен благодаря тесному сотрудничеству европейской команды Wendelstein 7-X в Грайфсвальде и партнеров из США. Ключевую роль сыграл новый инжектор пеллет, который впрыскивает замороженные водородные гранулы в плазму, обеспечивая длительное удержание плазмы за счет непрерывной дозаправки. Национальная лаборатория Ок-Ридж Министерства энергетики США разработала этот уникальный инжектор и успешно ввела его в эксплуатацию на Wendelstein 7-X.
Во время рекордного эксперимента за 43 секунды было впрыснуто около 90 замороженных водородных гранул размером около миллиметра каждая, в то время как мощные микроволны одновременно нагревали плазму. Точная координация между нагревом и впрыском гранул имела решающее значение для достижения оптимального баланса между мощностью нагрева и подачей топлива. Ключевым моментом стала работа инжектора пеллет с впервые примененными переменными, предварительно запрограммированными частотами импульсов — схема, выполненная с впечатляющей точностью. Этот метод имеет прямое отношение к будущим термоядерным реакторам и потенциально может продлить время удержания плазмы до нескольких минут.
В ходе рекордного эксперимента температура плазмы была поднята до более чем 20 миллионов градусов Цельсия, достигнув пика в 30 миллионов. Данные для расчета тройного произведения предоставила, среди прочих, Принстонская лаборатория физики плазмы, которая эксплуатирует рентгеновский спектрометр для диагностики температуры ионов на Wendelstein 7-X. Необходимые данные о плотности электронов поступили от уникального в мире интерферометра IPP. Время удержания энергии, необходимое для расчета тройного произведения, также определялось с помощью диагностических инструментов, разработанных в IPP.
Томас Клингер, руководитель эксплуатации Wendelstein 7-X и глава отдела динамики и переноса стеллараторов в IPP в Грайфсвальде, говорит, что новый рекорд является огромным достижением международной команды. По его словам, это впечатляюще демонстрирует потенциал Wendelstein 7-X. Он добавляет, что повышение тройного произведения до уровня токамаков при длительных плазменных импульсах знаменует собой еще одну важную веху на пути к созданию стелларатора, пригодного для электростанции.
В ходе последней экспериментальной кампании энергооборот был увеличен до 1,8 гигаджоуля (продолжительностью 6 минут). Предыдущий рекорд февраля 2023 года составлял 1,3 гигаджоуля. Энергооборот рассчитывается как произведение введенной мощности нагрева и длительности плазмы.
Wendelstein 7-X — это термоядерный реактор типа «стелларатор», отличающийся от реакторов типа «токамак», таких как Joint European Torus в Великобритании или строящаяся установка ITER во Франции. Токамак основан на однородной тороидальной форме, тогда как стелларатор изгибает эту форму в виде восьмерки. Это позволяет обойти проблемы, с которыми сталкиваются токамаки, когда магнитные катушки, удерживающие плазму, неизбежно менее плотно расположены на внешней стороне тороидального кольца.
Установка Wendelstein 7-X не будет использоваться для производства энергии, но должна продемонстрировать, подходят ли стеллараторы для использования в качестве электростанции. Она должна показать способность стеллараторов работать непрерывно. В отличие от них, токамаки без вспомогательного оборудования могут работать только в импульсном режиме.
