Эксперименты на китайском экспериментальном усовершенствованном сверхпроводящем токамаке EAST подтвердили существование так называемой «области без плотности». Ученым удалось найти способ преодолеть фундаментальное ограничение по плотности плазмы, что представляет собой важное физическое доказательство для работы термоядерных устройств магнитного удержания в режиме высокой плотности.
Токамак – это тороидальная установка, использующая магнитное поле для удержания высокотемпературной плазмы и осуществления управляемого термоядерного синтеза. Плотность плазмы является одним из ключевых параметров, напрямую влияющих на скорость реакции. Ранее считалось, что существует предел плотности плазмы, известный как предел Гринвальда. При его достижении плазма разрушается и выходит из-под контроля магнитного поля, высвобождая огромную энергию на внутреннюю стенку установки, что угрожает ее безопасной эксплуатации.
Команда Института физики плазмы при Китайской академии наук в городе Хэфэй разработала теоретическую модель, которая показала решающую роль излучения на границе плазмы в достижении предела плотности. Используя уникальную цельнометаллическую конструкцию внутренней стенки токамака EAST, известного как «искусственное солнце», и применяя такие методы, как электронно-циклотронный резонансный нагрев, исследователи смогли активно замедлить наступление предела плотности и разрушение плазмы.
Контролируя физические условия на диверторных пластинах, ученые снизили распыление вольфрамовых примесей и провели плазму через предел плотности, выведя ее в новый, ранее не достигавшийся стабильный режим. Команда заявила, что экспериментальные результаты полностью согласуются с теоретическими предсказаниями, впервые подтверждая существование «области без плотности» в токамаке. В ходе экспериментов на EAST была достигнута средняя по линии плотность электронов в диапазоне от 1,3 до 1,65 от предела Гринвальда.
«Эти результаты демонстрируют потенциал практической схемы для существенного увеличения предела плотности в токамаках… преодоление предела плотности Гринвальда и успешный доступ к режиму без плотности, как показано в этой работе, открывает многообещающий путь к достижению условий зажигания термоядерного синтеза», – заявили исследователи. Эта инновационная работа дает важные ключи к пониманию физики предела плотности и является важнейшим шагом на пути к созданию высокоэффективных термоядерных реакторов.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Science Advances, стали итогом совместной работы Института физики плазмы, Хуачжунского университета науки и технологий и Университета Экс-Марсель при поддержке Национального проекта по магнитному термоядерному синтезу. Успех стал возможен благодаря передовой экспериментальной платформе EAST, открытому механизму сотрудничества и разработанным в последние годы точным методам диагностики параметров плазмы. С момента своего запуска в 2006 году EAST функционирует как открытая испытательная площадка для ученых со всего мира.
