×

Реактор LTX-β для термоядерного синтеза в разрезе. Источник.

Образно говоря, именно этот вопрос в последнее время задавала себе команда исследователей из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США, и таки нашла, пусть частичный, но всё же ответ. Благодаря проделанной работе в Лаборатории по подаче энергии от термоядерного синтеза в энергосистему, её авторы считают, что у них есть решение для одного конкретного сценария.

Результаты недавних исследований термоядерной плазмы показали целесообразность покрытия жидким литием внутренней поверхности содержащей её камеры ‒ он помогает сохранять температуру реакции, чем увеличивает срок жизни плазмы. Благодаря этому учёные научились определять максимальную плотность нейтральных (незаряженных) частиц на границе плазмы до возникновения непредсказуемости определённых нестабильностей, вызванных остыванием границ. Это знание позволяет понять, как и в каком количестве следует подпитывать термоядерную реакцию.

Это если вкратце. Подробности исследования, включившие наблюдения, численное моделирование и анализ результатов экспериментов внутри термоядерного плазменного сосуда, называемого Литиевым токамаком эксперимент-бета (LTX-β), представлены в журнале Nuclear Fusion.

Уникальная среда LTX-β

Токамаки ‒ это термоядерные резервуары, удерживающие плазму в форме бублика посредством магнитных полей, и LTX-β ‒ один из многих подобных, но литиевое покрытие внутренних стенок всё-таки делает его особенным. Оно в корне меняет поведение стенки, поскольку литий удерживает очень высокий процент выделяющихся из плазмы атомов водорода, который в противном случае (то есть без покрытия камеры этим мягким металлом), наоборот, в большинстве своём отскакивал бы от стенок и возвращался обратно в плазму.

В начале этого года, здесь же, в Принстоне, выяснилось, что эта среда с низким уровнем рециркуляции водорода стабилизирует температуру самых краёв плазмы, сохраняя их горячими. Это делает её не только более стабильной, но и даёт ей больше места для большего объёма.

«Мы пытаемся показать, что литиевая стенка может обеспечить работу термоядерного реактора меньшего размера, что приведёт к более высокой плотности мощности», ‒ говорит Ричард Маески, главный физик-исследователь PPPL и глава LTX-β. Тогда появилась надежда, что эта работа может привести к созданию экономичного термоядерного источника энергии, в котором нуждается мир.

Теперь же команда LTX-β завершила следующий этап, опубликовав дополнительные результаты, в которых прослеживается взаимосвязь между топливом для плазмы и её стабильностью. В частности оказалось, что максимальная плотность нейтральных частиц на границе плазмы обнаруживается перед тем, как край начнёт остывать, дестабилизируя плазму.

Возможно, вероятность определённых нестабильностей получится снизить путём поддержания плотности на границе плазмы ниже недавно определённого уровня в 1*1019 м-3. Кстати, такого уровня в токамаке удалось достичь впервые, и осознание этого является большим стимулом в миссии учёных доказать, что литий является идеальным выбором для покрытия внутренних стенок реактора, потому что это помогает им узнать о лучших методах подпитки плазмы.

Методы доработки.

Чтобы оценить, насколько легко будет управлять термоядерным процессом, физики делают частые сравнительные замеры температур на границе плазмы и в её ядре. Данные выстраиваются в график, который наклоном линии показывает, как обстоят дела в каждый конкретный момент измерений. Если температура во внутреннем ядре и на внешней границе почти одинакова, линии почти ровные и совпадают. Это называется плоским температурным профилем. Если температура на внешней границе значительно ниже температуры во внутреннем ядре, учёные называют это пиковым температурным профилем.

«Команда определила максимальную плотность нейтральных частиц за краем плазмы, которая по-прежнему обеспечивает плоский температурный профиль. Превышение этого количества нейтральных частиц на границе определённо снизит вашу температуру на границе, и вы получите пиковый температурный профиль», ‒ поясняет Сантану Банерджи, штатный физик-исследователь PPPL, ведущий автор статьи.

С другой стороны, учёные раскрывают ещё некоторые нюансы. Например, существует так называемая нейтральная плотность, котораяявляется порогом нестабильности, известным как режим разрыва. При превышении этой плотности режимы разрыва имеют тенденцию к дестабилизации, чем создают угрозу плазме и могут остановить реакцию синтеза. Если их не контролировать, нестабильность станет слишком большой, и термоядерная реакция прекратится.

Гипотеза авторов работы заключалась в том, что достижение максимума выше нейтральной плотности связано с охлаждением краёв холодными нейтральными элементами сверх критического расхода топлива. Это было подтверждено, и выяснилось, что при более низком потоке топлива плоский профиль электронной температуры приводит к более широкому профилю давления и более низкому удельному сопротивлению. Это и стабилизирует режим разрыва. Однако также было определено, что запас нейтрали на границе плазмы может сыграть одну из решающих ролей для достижения, с одной стороны, уникального режима работы плоского температурного профиля, а с другой ‒ возбуждения разрывной активности, которая всё-таки может быть разрушительной для плазмы.

Работа над проектом продолжается. Чтобы поддерживать энергосистему будущего, исследователи выясняют наилучшие способы управления термоядерной плазмой. Например, в качестве одной из мер стабилизации реакции, инженер PPPL Дилан Корл оптимизирует направление подачи в токамак нейтрального луча, который нагревает плазму.

«По сути, мы создаём для него новый порт», ‒ поясняет Корл. Он тестирует различные траектории луча на 3D-модели LTX-β, дабы убедиться, что тот не повредит другие части оборудования ‒ например, инструменты, используемые для измерения плазмы. «Найти наилучший ракурс было непросто, но я верю, что теперь у нас это получилось», ‒ заключает учёный.

Сегодня исследователи совершенствуют приёмы получения термоядерного синтеза. В LTX-β задача осуществляется двумя путями: с помощью струй газообразного водорода с края и пучка нейтральных частиц. Команда ищет способы использования обоих методов в тандеме для создания оптимальной плазмы. Это должно наделить нас возможностью поддерживать термоядерный синтез в течение длительного времени, что выведет технологию прямо к реализации будущих термоядерных реакторов, которые смогут вырабатывать достаточно энергии, чтобы встроиться в энергосистемы.

 


АРМК, по материалам PPPL.