Германский термоядерный стелларатор получил первую плазму

В Германии успешно запустили термоядерный реактор Wendelstein 7-X (W7-X) – в первый день запуска ученые Института физики плазмы имени Макса Планка в городе Грайфсвальд получили гелиевую плазму. Wendelstein 7-X – крупнейший в мире термоядерный реактор типа стелларатор, и получение тестовой плазмы должно подтвердить возможность использования стеллараторов в качестве промышленных термоядерных реакторов.
По мнению Ганса-Стефана Боша (Hans-Stephan Bosch), ученого, чье подразделение ответственно за запуск стелларатора, испытания прошли согласно плану. При помощи микроволнового импульса мощностью 1,8 киловатт физики нагрели один миллиграмм газообразного гелия до температуры приблизительно один миллион градусов Цельсия – после чего удержали полученную плазму в равновесии в течение 0,1 секунды.

Выбор гелия для начала запуска обусловлен его относительной по сравнению с водородом легкостью перевода в состояние плазмы. На конец января 2016 года (вторая фаза) намечены испытания с водородной плазмой. После успешного завершения второго этапа экспериментов ученые надеются удерживать водородную плазму в течение десяти секунд. Ожидается, что к моменту окончания третьего этапа время удержания плазмы составит 30 минут.

Реактор, находящийся в немецком городе Грайфсвальд, состоит из 50 сверхпроводящих ниобий-титановых катушек около 3,5 метров в высоту и общим весом около 425 тонн. Катушки способны создавать магнитное поле индукцией три тесла, удерживающее плазму с температурой 60–130 миллионов градусов Цельсия (что в несколько раз выше, чем температура в центре солнечного ядра). Объем плазмы может достигать 30 кубических метров. Вся конструкция окружена криостатом (прочной теплоизолирующей оболочкой) диаметром 16 метров. Строительство W7-X обошлось в сумму около миллиарда евро и в общей сложности потребовало 1,1 миллиона рабочих часов.

Wendelstein 7-X – экспериментальный термоядерный реактор типа стелларатор. В отличие от обычных ядерных реакторов, где энергия выделяется в результате распада тяжелых ядер на более легкие, в термоядерных реакторах используется реакция синтеза, в ходе которой более тяжелые атомные ядра из более легких собираются. В настоящее время существуют две принципиальные схемы управляемого термоядерного синтеза: квазистационарные системы, в которых нагрев и удержание плазмы осуществляется магнитным полем, и импульсные системы, в которых управляемый термоядерный синтез происходит путем нагрева дейтерия и трития лазерными лучами. 

Стелларатор – более редкий вид термоядерных реакторов первого типа. Его более распространенным собратом является токамак (тороидальная камера с магнитными катушками). В обоих реакторах плазма удерживается не стенками камер (они просто не способны выдержать необходимую для термоядерных реакций температуру), но специально создаваемым магнитным полем. Однако в токамаке магнитное поле индуцируется комбинировано: при помощи внешних катушек, а также при помощи электричества, протекающего по плазменному шнуру. В отличие от токамака, в стеллараторе необходимая для удержания плазмы конфигурация магнитного поля создаётся токами, текущими исключительно вне плазменного объёма. Подобная конструкция стелларатор-реактора создает среду, в которой плазма обладает высокой стабильностью. Его устройство позволяет избежать возникновения потоков свободных электронов и ионов внутри плазменного шнура, создающих свои собственные магнитные поля, что часто приводит разрушению магнитного поля и потере плазмой температуры в токамак-реакторах. Это, с одной стороны, позволяет использовать стелларатор в непрерывном режиме, с другой – делает его строительство крайне сложным. 

Благодаря появлению суперкомпьютеров, обладающих мощностью, достаточной для проведения высокоточных расчетов конфигураций магнитных полей, стала возможна разработка технологий, позволяющих удерживать и контролировать высокотемпературную плазму в магнитном поле сложной конфигурации – и в апреле 2005 года немецкие ученые приступили к строительству W7-X. Wendelstein 7-X не станет промышленным термоядерным реактором, но успешное проведение испытаний подтвердит возможность использования стеллараторов для получения энергии при помощи управляемого термоядерного синтеза.

Первый проект стелларатора был разработан Лайманом Спитцером (Lyman Spitzer), ученым из Принстонского университета, еще в 1951 году. Однако в то время создание реактора такого типа было невозможным. Поэтому реакторы типа токамак, имеющие более простую и более технологичную конструкцию, активнее использовались для исследований в области ядерного синтеза. Помимо Wendelstein 7-X, наиболее перспективным стелларатором в мире считается Large Helical Device, расположенный в японском городе Токи. 

Александра Стуккей