Китайские физики преодолели ключевое ограничение для термоядерного синтеза
Физики, работающие над проблемой управляемого термоядерного синтеза, совершили значительный прорыв на экспериментальном реакторе в Китае. Исследователям удалось преодолеть давно существовавшее фундаментальное ограничение по плотности высокотемпературной плазмы, что открывает новые перспективы для создания эффективных энергетических установок будущего.
Эксперименты проводились на токамаке EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak). Ученые успешно превысили так называемый предел Гринвальда — практический барьер плотности, выше которого плазма в реакторах-токамаках склонна к резкой дестабилизации, что часто приводит к повреждению оборудования. Долгое время этот предел считался практически неизбежным и учитывался при проектировании реакторов.
Новая работа демонстрирует, что с помощью точного контроля над процессом создания плазмы и ее взаимодействия со стенками реактора можно выйти за этот предел в так называемый «свободный от плотности» режим. Теоретическая основа для этого была заложена ранее, а китайские ученые под руководством Пина Чжу из Университета науки и технологий Хуачжун и Нина Яна из Китайской академии наук провели практическую проверку. Ключевой идеей стало предположение, что предел плотности сильно зависит от начальных взаимодействий плазмы со стенкой при запуске реактора.
В эксперименте исследователи тщательно контролировали давление топливного газа в момент запуска токамака и добавили импульсный нагрев плазмы с помощью электронного циклотронного резонанса. Эти манипуляции изменили характер взаимодействия плазмы со стенками через более холодный пограничный слой, что резко сократило попадание примесей из материала стенок в основную плазму. Именно эти примеси, увеличивая энергетические потери на излучение, запускают опасную цепную реакцию охлаждения и разрушения плазменного шнура.
В результате команде удалось достичь плотности плазмы примерно на 65% выше предела Гринвальда для данного реактора. Это не означает, что теперь плотность может быть бесконечной, но доказывает, что предел Гринвальда не является абсолютным физическим законом. Результаты указывают на возможность улучшения работы будущих термоядерных реакторов путем оптимизации операционных процедур. Ученые планируют продолжить эксперименты на EAST для изучения поведения плазмы в новом режиме при высоких параметрах. Как отмечает Пин Чжу, полученные результаты предлагают практический и масштабируемый путь для расширения пределов плотности в токамаках и реакторах следующего поколения.
Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.