Физики рекордно разогрели плазму в сферическом токамаке

Американские и британские физики установили рекорд по достигнутой ионной температуре плазмы в сферических токамаках, который оказался сравним с температурой плазмы в будущем термоядерном реакторе ITER. Рекорд установлен на небольшом частном сферомаке ST40 и доказывает перспективность установок такого типа для работ в области термоядерной энергетики. Статья опубликована в журнале Nuclear Fusion.

Сферические токамаки (сферомаки) представляют собой разновидность токамаков — магнитных ловушек, в которых шнур из высокотемпературной плазмы в виде тора, где идут реакции слияния ядер дейтерия и трития, удерживается внутри вакуумной камеры мощными магнитными полями, которые не дают ему коснуться стенок камеры. Однако, в отличие от обычных токамаков у сферомаков меньшее аспектное отношение (отношение большого радиуса тора к малому), которое близко к единице. Считается, что плазма в таких установках может удерживаться дольше и стабильнее, при этом не требуется создавать установку огромных размеров, как экспериментальные реакторы-токамаки ITER или DEMO. Особенно интересны сферомаки в контексте использования в их магнитной системе высокотемпературных сверхпроводников. Но необходимо решить множество физических и инженерных проблем, прежде чем удостовериться, что сферомаки можно рассматривать в качестве перспективных термоядерных реакторов.

ST40 — один из действующих экспериментальных сферомаков. Этот компактный токамак был построен частной британской компанией Tokamak Energy и получил первую плазму в 2017 году. Сферомак оснащен вакуумной камерой из нержавеющей стали и сверхпроводящими тороидальными магнитными катушками. Он характеризуется аспектным отношением 1,6–1,9, большим радиусом плазмы 0,4–0,5 метра, током плазмы в диапазоне 0,4–0,8 мегаампер и осевым тороидальным магнитным полем 1,5–2,2 Тесла. Зажигание разряда инициируется за счет компрессии и магнитного пересоединения, без центрального соленоида, который служит для дальнейшего нагрева плазмы. Дополнительный нагрев плазмы обеспечивается двумя системами инжекции высокоэнергетичных нейтральных частиц дейтерия в плазменный шнур.

Физики из Принстонской лаборатории физики плазмы, Ок-Риджской национальной лаборатории и Tokamak Energy во главе со Стивеном Макнамарой (Steven A.M. McNamara) сообщили, что достигли рекордно большой для всех сферомаков температуры ионов дейтерия, которая составила 8,6 килоэлектронвольт в центре плазменного шнура. Объем плазмы во время эксперимента составлял 0,9 кубического метра, ток плазмы — 0,6 мегаампер, время жизни разряда — чуть менее 0,15 секунды, а тороидальное магнитное поле — 1,9 Тесла. Максимальная электронная плотность плазмы составила 4,5×10¹⁹ частиц в кубическом метре, усредненная, которая поддерживалась во время импульса — 4×10¹⁹ частиц в кубическом метре.

Достигнутая температура ионов стала самой высокой для сферомаков или токамаков сопоставимых размеров, похожие температуры достигались только на более крупных установках. Для сравнения — в проекте международного термоядерного реактора ITER предполагается достижение ионной температуры в 8 и выше килоэлектронвольт, однако время горения разряда там должно составить около 400 секунд, правда сам реактор гораздо больше по размерам, чем ST-40. Значение тройного термоядерного произведения (температура на плотность плазмы на время удержания энергии, выступает как аналог критерия Лоуссона) для ST-40 составило 6×10¹⁸ килоэлектронвольт на секунду, деленное на кубический метр.

Результаты экспериментов показывают, что высокие температуры действительно могут быть получены в небольших по размерам сферомаках с сильным магнитным полем. Tokamak Energy надеется, что сможет в середине 2020-х годов ввести в эксплуатацию новый сферомак ST-HTS, который будет оснащен магнитной системой, использующей высокотемпературные сверхпроводники.

Ранее мы рассказывали о том, как российские физики рекордно разогрели плазму в сферическом токамаке «Глобус-М2».