Стелларатор Wendelstein 7-X доказал свою работоспособность в серии экспериментов, проведенных в 2016-2017 годах — дестабилизирующий плазму бустрэп-ток удалось уменьшить почти в четыре раза, а время удержания плазмы получилось довести до 160 миллисекунд. На данный момент это лучший результат среди стеллараторов. Статья немецких физиков, подводящая итоги серии экспериментов, опубликована в Nature Physics, кратко о работе ученых рассказывается в редакционной колонке News & Views.
Физики обещают построить термоядерный реактор уже более шестидесяти лет (с тех пор, как было испытано термоядерное оружие), однако создать действующие коммерческие установки им до сих пор так и не удалось. Дело в том, что для осуществления долгосрочного термоядерного синтеза в реакторе необходимо достаточно долго удерживать плазму, разогретую до огромной температуры порядка десяти миллионов градусов. Как правило, физики используют для этого мощные сверхпроводящие магниты, создающие сильные магнитные поля и не дающие плазме коснуться стенок. К сожалению, намагниченная плазма очень нестабильна — стоит небольшому кусочку плазмы отклониться от оптимальной траектории, как он выбрасывается на стенку и повреждает ее. Поскольку частицы в плазме постоянно сталкиваются друг с другом, рано или поздно такие выбросы происходят. Поэтому время удержания существующих термоядерных реакторов составляет всего несколько минут (разумеется, до безвозвратного прожигания стенки в реальных экспериментах дело стараются не доводить), а генерируемая в результате синтеза мощность превысила мощность, необходимую для поддержания реакции, всего несколько лет назад.
Наиболее распространенным типом термоядерных реакторов являются токамаки — тороидальные камеры с магнитными катушками, все современные рекорды в области термоядерного синтеза относятся именно к этому типу установок. В токамаке плазменный шнур удерживается с помощью тороидального поля внешних магнитных катушек и полоидального поля, создаваемого протекающим по шнуру электрическим током. Грубо говоря, магнитное поле токамака выглядит как бублик, на который намотаны линии напряженности магнитного поля. К сожалению, для работы этого типа термоядерного реактора электрический ток в плазме должен поддерживаться постоянно, что довольно сложно технически реализовать.
Тем не менее, токамаки — это не единственная возможная схема термоядерного реактора. Наряду с ними ученые разрабатывают стеллараторы, в которых поддерживать электрический ток внутри плазмы не нужно (он возникает сам собой), и можно обойтись только внешними магнитными полями. Как и у токамака, в основе стелларатора лежит тор, однако магнитные поля внешних катушек ведут себя гораздо хитрее, образуя систему замкнутых, вложенных друг в друга тороидальных магнитных поверхностей. Грубо говоря, в стеллараторе плазма образует «мятый бублик» вместо «ровного бублика» токамака (чтобы понять, о чем идет речь, лучше один раз посмотреть на рисунок). Это позволяет предотвратить «расплескивание» плазмы и теоретически должно повысить время ее удержания. Правда, рассчитать такую конфигурацию магнитного поля оказалось невероятно сложно — хотя впервые идея стелларатора была предложена еще в 1951 году, существенного прогресса в его разработке удалось достичь только к началу XXI века, когда для вычислений удалось привлечь суперкомпьютеры.
Wendelstein 7-X — это один из первых стеллараторов, наиболее близкий к управляемому термоядерному синтезу. Этот реактор состоит из 50 сверхпроводящих ниобий-титановых катушек высотой около 3,5 метров и общим весом около 425 тонн. Катушки способны создавать магнитное поле индукцией три тесла, удерживающее плазму с температурой более 60 миллионов градусов Кельвина, а суммарный объем плазмы может достигать 30 кубических метров. В новой работе ученые приводят результаты работы стелларатора в 2016-2017 годах, которые подтвердили, что в плазменном шнуре внутри установки возникает сравнительно слабый бутстрэп-ток (bootstrap current). В отличие от токамаков, в которых этот ток стремятся как можно сильнее увеличить, в стеллараторах от него стараются избавиться, поскольку он приводит к образованию угловых магнитных островов (edge magnetic islands) и дестабилизирует плазму. Новые измерения на Wendelstein 7-X показали, что величину этого тока удалось ослабить примерно в четыре раза по сравнению с токамаками; кроме того, током можно управлять, изменяя топологию магнитного поля. Это позволило ученым довести время удержания плазмы до 160 миллисекунд, что на данный момент является лучшим результатом среди стеллараторов.
Стоит отметить, что Wendelstein 7-X предназначен для «обкатки» работоспособности новой схемы, для коммерческого термоядерного синтеза он не предназначен. С токамаками он тоже пока соревноваться не может. Тем не менее, как показывает работа ученых, рассчитанная конфигурация магнитных полей действительно приводит к возникновению в плазме бутстрэп-тока и позволяет удерживать плазму в течение сравнительно длинного промежутка времени. В будущем эти показатели планируется увеличить на несколько порядков, а в силу конструктивных особенностей управлять стеллараторами будет гораздо удобнее, чем токамаками. В частности, по оптимистичным оценкам Джозефа Талмаджа (Joseph Talmadge), автора короткой заметки в Nature, посвященной Wendelstein 7-X, следующее поколение стеллараторов сможет достигнуть времени удержания порядка 30 минут, если разрабатываемый дивертор активного охлаждения будет корректно работать. Новая статья, подтвердившая, что бутстрэп-током, протекающим в плазме, можно сравнительно легко управлять, позволяет надеяться на такой результат.
Ранее мы уже писали о ключевых событиях в постройке стелларатора Wendelstein 7-X. Так, в декабре 2015 года на установке получили первую гелиевую плазму, нагретую до температуры около одного миллиона градусов, и удержали ее в течение 0,1 секунды. А в декабре 2016 года стелларатор прошел испытания магнитного поля, в результате которых ученые убедились, что создаваемая им магнитная поверхность отклоняется от спроектированной не более чем на одну стотысячную.
Дмитрий Трунин