Продолжаем термоядерную тематику.

Международный экспериментальный реактор ИТЭР, который в настоящее время строится на юге Франции, представляет собой самый передовой способ выработки энергии на термоядерной электростанции. Конструкция соответствует принципу токамака, то есть термоядерная плазма с температурой более 100 миллионов градусов удерживается в магнитном поле в форме пончика. Эта концепция предотвращает контакт горячей плазмы с ограждающей стенкой и ее повреждение. Эксперимент на токамаке ASDEX Upgrade в Институте физики плазмы им. Макса Планка (IPP) в Гархинге недалеко от Мюнхена служит образцом для ИТЭР и более поздних термоядерных электростанций. Здесь были разработаны важные элементы для ИТЭР. А условия работы плазмы и компоненты для более поздних силовых установок можно опробовать уже сегодня.

Oткрытие на ASDEX Upgrade может позволить исследователям термоядерного синтеза приблизить свою плазму с температурой 100 миллионов градусов намного ближе к стенке своих токамаков. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters и могут позволить построить меньшие и более дешевые термоядерные реакторы для производства энергии.

Центральным элементом ASDEX Upgrade и всех современных установок магнитного синтеза является дивертор. Это часть стенки сосуда, которая отличается особой термостойкостью и требует сложной конструкции. На дивертор поступает тепло от плазмы на стенке. На более поздних электростанциях там также будет извлекаться продукт синтеза гелий-4. В этом регионе нагрузка на стену особенно высока. Таким образом, диверторные плитки ASDEX Upgrade, а также ITER сделаны из вольфрама, химического элемента с самой высокой температурой плавления (3422°C).

Без контрмер 20 процентов мощности синтеза плазмы достигло бы поверхностей дивертора. Это приблизительно 200 мегаватт на квадратный метр - примерно те же условия, что и на поверхности Солнца. Однако дивертор в ИТЭР, а также будущие термоядерные электростанции смогут выдерживать максимум 10 мегаватт на квадратный метр. По этой причине в плазму добавляются небольшие количества примесей (часто азота). Они извлекают большую часть своей тепловой энергии, преобразовывая ее в ультрафиолетовый свет. Тем не менее край плазмы (сепаратрису) необходимо держать на расстоянии от дивертора, чтобы защитить его. В ASDEX Upgrade до сих пор это было не менее 25 сантиметров (измеряется от нижнего наконечника плазмы — точки X — до краев дивертора). Теперь удалось сократить это расстояние до менее чем 5 сантиметров, не повредив стенку.

На рисунке в поперечном сечении половины плазменного сосуда ASDEX Upgrade яркими цветами показано электромагнитное излучение в УФ-диапазоне спектра от излучателя в точке X-point. Красной линией показан край плазмы (сепаратриса), который в данном случае располагался очень близко к дивертору. Это может позволить построить более мелкие и дешевые плазменные сосуды, если их форма будет адаптирована соответствующим образом. Электромагнитное излучение измерялось болометром.

Ссылка на статью в свободном доступе:

T.Lunt et al. Compact Radiative Divertor Experiments at ASDEX Upgrade and Their Consequences for a Reactor. Phys. Rev. Lett. 130, 145102 (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.145102.