Физики, работающие на китайском экспериментальном сверхпроводящем токамаке EAST, совершили прорыв в исследованиях термоядерной энергии. Им впервые удалось достичь так называемого «бесплотностного режима», при котором плазма сохраняет стабильность даже при плотности, значительно превышающей традиционные пределы. Результаты, опубликованные в журнале «Science Advances», открывают новые перспективы для преодоления одного из самых серьезных барьеров на пути к коммерческому термоядерному синтезу.
Исследовательская группа под руководством профессора Пин Чжу и доцента Нин Янь разработала новый подход к работе с плазмой высокой плотности. Эксперименты показали, что можно значительно превысить давно установленные эмпирические ограничения, не вызывая разрушительных нестабильностей, которые обычно приводят к срыву реакции. Это открытие ставит под сомнение десятилетиями существовавшие представления о поведении плазмы в токамаках.
Термоядерный синтез считается одним из наиболее перспективных источников чистой и практически неисчерпаемой энергии. Для запуска оптимальной реакции в установках, использующих изотопы водорода – дейтерий и тритий, – топливо необходимо нагреть до температуры около 150 миллионов градусов. Мощность реакции растет пропорционально квадрату плотности плазмы, однако до сих пор эксперименты были ограничены верхним пределом плотности. Его превышение приводило к потере удержания плазмы и риску повреждения установки.
Новый подход основан на теоретической концепции «самоорганизации плазмы и стенки» (PWSO). Эта теория предполагает, что стабильный режим сверхвысокой плотности может возникнуть при достижении тщательно сбалансированного состояния взаимодействия между плазмой и металлическими стенками реактора. Эксперименты на токамаке EAST стали первым практическим подтверждением этой идеи. Ученые точно контролировали начальное давление топливного газа и применяли электронно-циклотронный резонансный нагрев на этапе запуска разряда.
Такая стратегия позволила с самого начала оптимизировать взаимодействие плазмы со стенками камеры, что значительно сократило накопление примесей и потери энергии. В результате плотность плазмы смогла неуклонно расти, и установка успешно вошла в предсказанный теорией PWSO режим. В этом состоянии удалось поддерживать стабильную работу при плотностях, которые ранее считались недостижимыми. Эти результаты дают физикам новое понимание того, как можно преодолеть давнюю проблему на пути к зажиганию термоядерной реакции.
«Полученные данные предлагают практичный и масштабируемый путь для расширения пределов плотности в токамаках и термоядерных устройствах следующего поколения», – отметил профессор Чжу. Его коллега, доцент Янь, добавил, что в ближайшем будущем команда планирует применить этот же подход в режимах высокого удержания плазмы на EAST, чтобы достичь еще более впечатляющих показателей производительности.
