Физики произвели термоядерный синтез при температуре 100 миллионов кельвинов в течение 20 секунд
Группа исследователей, связанных с несколькими учреждениями в Южной Корее, достигла новой вехи в развитии термоядерного синтеза в качестве источника энергии — они достигли реакции на токамаке KSTAR, которая произвела температуру 100 миллионов кельвинов и длилась более 20 секунд. В своей статье, опубликованной в журнале Nature, группа описывает свою работу и планы на ближайшие несколько лет.
В течение последних нескольких лет ученые пытались создать устойчивые термоядерные реакции внутри электростанций в качестве средства выработки тепла для преобразования в электричество.
Несмотря на значительный прогресс, главная цель до сих пор не достигнута. Ученые, работающие над проблемой, столкнулись с трудностями в управлении реакциями синтеза — малейшие отклонения приводят к нестабильности, препятствующей протеканию реакции.
Самая большая проблема связана с выделением тепла, которое измеряется миллионами градусов. Никакие материалы, конечно, не могут удержать такую горячую плазму, поэтому она левитирует с помощью магнитов.
Были разработаны два подхода: один называется краевым барьером — он формирует плазму таким образом, чтобы предотвратить ее выход. Другой подход называется внутренним транспортным барьером, и именно его используют ученые, работающие в Корейском центре перспективных исследований сверхпроводящих токамаков, где проводятся новые исследования. Он работает, создавая область высокого давления вблизи центра плазмы, чтобы держать ее под контролем.
Исследователи отмечают, что использование внутреннего транспортного барьера приводит к гораздо более плотной плазме, чем при другом подходе, и именно поэтому они решили использовать его.
Благодаря большому количеству быстрых ионов, стабилизирующих турбулентность плазмы ядра, мы генерируем плазму при температуре 100 миллионов кельвинов продолжительностью до 20 секунд без нестабильностей краев плазмы или накопления примесей. Низкая плотность плазмы в сочетании с умеренной потребляемой мощностью является ключом к установлению этого режима за счет сохранения высокой доли быстрых ионов. Этот режим редко подвергается сбоям и может надежно поддерживаться даже без сложного контроля, и, таким образом, представляет собой многообещающий путь к коммерческим термоядерным реакторам.
Ученые отмечают, что более высокая плотность облегчает создание более высоких температур вблизи ядра. Это также приводит к более низким температурам вблизи краев плазмы, что снижает нагрузку на оборудование, используемое для ее сдерживания.
В последнем испытании на объекте команда ученых на реакторе «Искусственное Солнце» смогла генерировать тепло до 100 миллионов кельвинов и поддерживать реакцию синтеза в течение 20 секунд. Согласно New Scientist, реакция была остановлена только через 30 секунд из-за аппаратных ограничений.
Один из исследователей KSTAR, Йонг-Су На, сказал, что в будущем после обновления устройства возможны более длительные периоды.
Другие команды либо генерировали аналогичные температуры, либо поддерживали свои реакции в течение аналогичного периода времени, но это первый случай, когда и то, и другое было достигнуто в одной реакции.
В будущем ученые планируют модернизировать свое оборудование, чтобы использовать то, что они узнали за последние несколько лет исследований, заменив некоторые компоненты, такие как углеродные элементы на стенках камеры, например, новыми, изготовленными из вольфрама.
Несмотря на всю предстоящую работу, направленную на то, чтобы реакторы производили больше энергии, чем потребляют, прогресс обнадеживает. К 2025 году инженеры KSTAR хотят преодолеть отметку в 100 миллионов градусов в течении 300 секунд.
Статья команды была опубликована в журнале Nature.