Британское агентство по атомной энергии (UKAEA) завершило пятый этап экспериментов на флагманской термоядерной установке MAST Upgrade. В ходе работ удалось достичь самого высокого давления плазмы за всю историю эксплуатации токамака, решив при этом проблему её нестабильности – это считается одним из ключевых условий для создания коммерческих термоядерных электростанций.
Серия экспериментов на сферическом токамаке (Mega Amp Spherical Tokamak, MAST) на площадке Калэм в Оксфордшире началась в 2025 году. За это время учёные провели более 1100 плазменных разрядов. Для запуска термоядерной реакции изотопы водорода необходимо нагреть, сжать и удерживать при экстремальных температурах и давлении. Более высокое давление плазмы позволяет получить больше энергии в меньшем объёме, что приближает установку к условиям, необходимым для промышленного реактора.
Основной задачей исследователей было подавить так называемые краевые локализованные моды (Edge Localised Modes, ELMs). Это внезапные выбросы энергии на краю плазменного шнура, которые могут приводить к потере давления и повреждать внутренние стенки и компоненты выхлопной системы токамака. Неконтролируемые ELMs считаются серьёзным препятствием для коммерческого использования термоядерного синтеза.
Команда MAST Upgrade применила несколько методов, чтобы подавить ELMs, опираясь на результаты предыдущих экспериментов. В частности, использовались режим квазинепрерывного отвода энергии (QCE-mode) и резонансные магнитные возмущения (RMP), которые создают трёхмерные магнитные поля, чтобы снизить давление на краю плазмы и поддержать её стабильность. Учёным также удалось выйти на два дополнительных устойчивых режима работы: QH-mode (Quiescent H-mode) и I-mode. Они позволяют лучше удерживать энергию в плазме, предотвращая разрушительные выбросы.
В ходе экспериментов также разработали новую методику контроля положения плазмы. Она позволяет в реальном времени отслеживать мельчайшие смещения шнура по видимому свету, который испускает дейтерий из верхнего и нижнего диверторов. Этот подход – важный шаг к созданию полностью автоматизированных систем управления, которые потребуются будущим электростанциям. Кроме того, учёные выяснили, что впрыск небольшого количества азота на край плазмы заставляет её рассеивать избыточную энергию в виде света, что снижает тепловую нагрузку на внутренние поверхности установки.
Результаты этих экспериментов напрямую повлияют на то, как будут проектировать будущие термоядерные электростанции, отметил руководитель научной программы MAST Upgrade Джеймс Харрисон. В этом году установку ждёт дальнейшая модернизация: на ней установят два новых инжектора нейтральных частиц, что удвоит мощность нагрева, и систему электрон-бернштейновских волн (EBW) мощностью 1,6 МВт. Программу усовершенствования планируют завершить в 2027 году, а шестой этап экспериментов, ориентированный на задачи прототипа термоядерной электростанции STEP, намечен на 2028 год.
Прототип STEP (Spherical Tokamak for Energy Production) планируют построить в Уэст-Бертоне (Ноттингемшир) и запустить к 2040 году. Ожидается, что он будет выдавать в сеть более 100 МВт электроэнергии, обеспечит самодостаточность по тритию и поможет разработать экономически целесообразные термоядерные реакторы.
