Рекордные показатели удержания плазмы на стеллараторе Wendelstein 7-X
В ходе экспериментальной кампании OP 2.3, завершившейся 22 мая, немецкий Wendelstein 7-X (W7-X) — крупнейший в мире термоядерный реактор стеллараторного типа - установил новый мировой рекорд по величине тройного произведения nTτ (плотность × температура × время удержания) в длительных разрядах: в последний день кампании этот ключевой параметр удерживался на рекордном уровне в течение 43 секунд. Таким образом, W7-X превзошёл лучшие показатели токамаков для продолжительных разрядов.
Токамаки также используют магнитное удержание плазмы, но благодаря более простой конструкции изучены гораздо лучше. Наибольшие значения тройного произведения ранее достигались на японском токамаке JT-60U (выведен из эксплуатации в 2008 году) и европейском JET (Великобритания, завершил работу в 2023 году). При коротких разрядах длительностью всего несколько секунд они остаются безусловными лидерами. Однако для продолжительных разрядов, критически важных для будущих энергетических реакторов, W7-X теперь вырвался вперёд — несмотря на то, что объём плазмы в JET был втрое больше. Размер реактора существенно облегчает достижение высоких температур в термоядерных установках.
Новый мировой рекорд тройного произведения для длительных импульсов стал возможен благодаря тесному сотрудничеству европейской команды Wendelstein 7-X в Грайфсвальде с американскими партнёрами. Решающую роль сыграл новая система инжекции пеллет, которая вводит в плазму замороженные гранулы водорода, обеспечивая длительное удержание плазмы за счёт непрерывной подачи топлива (в устройстве формируется непрерывная нить замороженного водорода диаметром 3 мм, из которой с интервалом в доли секунды нарезаются цилиндрические пеллеты длиной 3,2 мм, эти топливные элементы затем вводятся в плазму со скоростью от 300 до 800 м/с). Этот высокотехнологичный и уникальный инжектор был разработан Национальной лабораторией Ок-Ридж (ORNL) в Теннесси, подведомственной Министерству энергетики США (DOE), и успешно введён в эксплуатацию на установке Wendelstein 7-X.
В ходе эксперимента в течение 43 секунд было введено около 90 замороженных водородных пеллет, в то время как мощные микроволны непрерывно нагревали плазму. Критически важным стало точное согласование процессов нагрева и инжекции гранул для достижения оптимального баланса между мощностью нагрева и подачей топлива. Ключевым нововведением стала первая в мире работа инжектора с программируемой переменной частотой подачи пеллет. Этот метод имеет прямое значение для будущих термоядерных реакторов и потенциально позволяет увеличить длительность удержания плазмы до нескольких минут.
Применение пеллет стало возможным благодаря предварительным исследованиям, проведённым рядом европейских лабораторий, включая расчётное моделирование, выполненное Центром энергетических, экологических и технологических исследований (CIEMAT, Испания), и наблюдения с использованием сверхбыстрых камер, осуществлённые Центром энергетических исследований HUN-REN в Будапеште. Система микроволнового нагрева (точнее: электронно-циклотронного резонансного нагрева) была разработана совместно с Институтом технологий Карлсруэ (KIT) и группой исследователей из Штутгартского университета. Данный метод признан наиболее перспективным для достижения температур плазмы, необходимых для осуществления термоядерного синтеза.
В ходе эксперимента температура плазмы была повышена до значений, превышающих 20 млн градусов Цельсия, достигнув пикового показателя в 30 млн градусов.
Данные для расчёта тройного произведения, среди прочих, были получены Принстонской лабораторией физики плазмы (PPPL), которая эксплуатирует рентгеновский спектрометр для диагностики ионной температуры на установке W7-X. Необходимые данные об электронной плотности поступили от интерферометра Института физики плазмы (IPP). Время удержания плазмы также было определено с использованием диагностических инструментов, разработанных в IPP.
Окончание - в Подробнее.
В ходе экспериментальной кампании OP 2.3 установка Wendelstein 7-X достигла двух новых ключевых показателей:
- Энергетический оборот был увеличен до 1.8 ГДж при длительности плазменного разряда 360 секунд. Это превышает предыдущий рекорд февраля 2023 года, составлявший 1.3 ГДж. Энергетический оборот рассчитывается как произведение мощности вводимого нагрева и длительности удержания плазмы. Поддержание стабильного высокоэнергетического ввода и эффективный отвод генерируемого тепла являются критически важными требованиями для будущих термоядерных реакторов. Примечательно, что Wendelstein 7-X превзошёл даже лучший показатель токамака EAST (Китай) для 1000-секундного разряда.
- Отношение давления плазмы к магнитному давлению впервые достигло 3% по всему объёму плазмы. В специальной серии экспериментов магнитное поле было преднамеренно снижено примерно до 70% от номинального значения, что позволило уменьшить магнитное давление и увеличить давление плазмы. Этот параметр имеет ключевое значение для масштабирования на энергетический реактор, где потребуется достижение значений 4-5% по всему объёму. Новый рекорд сопровождался достижением пиковой ионной температуры около 40 млн градусов Цельсия.