Преодолен предел Гринвальда в термоядерном реакторе: найден способ обойти «главный запрет» физики плазмы

Для запуска эффективной термоядерной реакции необходимо одновременно соблюсти три условия: достичь высокой температуры, удержать плазму достаточно долго и обеспечить её высокую плотность. Долгое время считалось, что последний параметр жестко ограничен правилом, известным как предел Гринвальда. Однако новые результаты экспериментов на китайском токамаке EAST показали, что это ограничение можно обойти, изменив физику взаимодействия плазмы со стенками реактора.

Используя модифицированный сценарий запуска реактора и специфический метод нагрева, они достигли плотности плазмы, превышающей исторический лимит на 65%, сохраняя при этом полную стабильность системы.

Природа ограничения

С 1988 года физика токамаков опиралась на закон Мартина Гринвальда. Это наблюдаемая зависимость, согласно которой предельная плотность плазмы прямо пропорциональна плотности тока, протекающего через плазменный шнур. Попытки поднять концентрацию частиц выше этого значения приводили к высокому росту неустойчивостей. Плазменный шнур начинал колебаться, касался стенок камеры и мгновенно остывал. Это явление называют срывом.

Долгое время природа этого ограничения не имела исчерпывающего теоретического объяснения, но инженеры принимали его как данность. Большинство современных реакторов проектируются с учетом того, что они не смогут работать выше предела Гринвальда (nG). Эксперимент на установке EAST, результаты которого опубликованы в Science Advances, доказывает, что этот потолок обусловлен не базовыми законами магнитной гидродинамики, а конкретными условиями взаимодействия плазмы со стенками реактора.

Проблема чистоты и радиационный коллапс

Механизм, который обычно приводит к срыву при повышении плотности, выглядит примерно так:

В токамаке плазма не висит в абсолютном вакууме. Её периферийные слои взаимодействуют с дивертором — устройством в нижней части камеры, предназначенным для приема тепловых потоков и удаления продуктов реакции. Стенки дивертора в токамаке EAST выполнены из вольфрама. Это тугоплавкий металл, способный выдерживать огромные тепловые нагрузки.

Однако у вольфрама есть недостаток. Когда периферия плазмы слишком горячая, ионы топлива (дейтерия), ударяясь о дивертор, выбивают из него атомы металла. Этот процесс называется физическим распылением. Тяжелые атомы вольфрама попадают в основной объем плазмы и запускают процесс радиационного охлаждения.

Вольфрам, обладая высоким зарядом ядра, становится мощным источником излучения. Попадая в горячую плазму, он начинает интенсивно переизлучать энергию в виде ультрафиолета и рентгена, выбрасывая её из системы. Чем выше плотность плазмы, тем активнее идет взаимодействие со стенками, тем больше примесей попадает внутрь и тем быстрее плазма теряет энергию. Охлаждение плазмы меняет её проводимость, что дестабилизирует удерживающее магнитное поле. Происходит коллапс.

Именно этот механизм — обратная связь между плотностью, распылением стенок и радиационным охлаждением — и формировал то, что мы называли пределом Гринвальда.

Техническое решение: «чистый» старт

Исследователи EAST нашли способ разорвать эту цепочку. Их гипотеза строилась на теории самоорганизации плазмы и стенок. Согласно этой модели, существуют два стабильных состояния (или «бассейна притяжения»):

1. Режим ограничения плотности: высокая температура на краю плазмы вызывает сильное распыление примесей.
2. Свободный режим: низкая температура на краю подавляет распыление, позволяя плотности расти без ограничений.

Задача состояла в том, чтобы попасть во второй режим. Для этого была применена комбинированная методика запуска разряда.

Во-первых, инженеры использовали высокое давление нейтрального газа (дейтерия) в момент инициации плазмы. Большое количество нейтральных частиц на старте позволяет эффективно охлаждать периферию плазменного шнура.

Во-вторых, для пробоя газа и начального нагрева использовалась система электронного циклотронного резонансного нагрева (ECRH) мощностью 600 кВт. В отличие от традиционного омического нагрева (когда плазму греет протекающий через нее ток), микроволновое излучение ECRH позволяет вкладывать энергию более точно и контролируемо.

Результаты: отключение механизма загрязнения

Экспериментальные данные показали, что предложенная методика сработала в точном соответствии с теоретической моделью.

Ключевым фактором стало снижение температуры плазмы в районе дивертора. Измерения показали, что при высоком давлении газа и включенном ECRH-нагреве температура плазмы у стенок упала ниже энергетического порога распыления вольфрама. Поскольку энергия ионов стала недостаточной для разрушения кристаллической решетки металла, поток примесей в реактор практически прекратился.

Это подтверждается данными спектроскопии: показатель эффективного заряда плазмы, который характеризует степень её загрязнения, значительно снизился. Плазма стала чистой.

Отсутствие тяжелых примесей устранило канал потери энергии через излучение. В результате исследователи смогли продолжать закачивать топливо в реактор, повышая плотность. Система пересекла отметку предела Гринвальда (1.0 nG) и продолжила стабильную работу вплоть до значений 1.65 nG.

Важно отметить, что разряд оставался стабильным. Электромагнитные диагностики не зафиксировали развития опасных магнитогидродинамических неустойчивостей, которые обычно предшествуют аварийной остановке.

Роль материала стенок

Успех эксперимента тесно связан с использованием вольфрама. Ранее аналогичные попытки проводились на установках с графитовым покрытием (например, на токамаке J-TEXT). Однако углерод подвержен не только физическому, но и химическому распылению — он вступает в реакции с водородом даже при низких температурах. Поэтому «охлаждение края» на графитовых реакторах не давало столь ощутимого эффекта очистки.

Вольфрам же реагирует преимущественно на механические удары высокоэнергетичных частиц. Как только температуру периферии удалось снизить, вольфрам перестал загрязнять плазму. Это наблюдение важно, поскольку именно вольфрам выбран в качестве материала дивертора для строящегося реактора ITER и будущих промышленных электростанций.

Значение для индустрии

Достижение плотности, превышающей предел Гринвальда на 65%, меняет экономику и физику проектируемых реакторов.

1. Повышение мощности: выходная мощность термоядерной реакции пропорциональна квадрату плотности плазмы. Работа в режиме 1.6 nG вместо 0.8-1.0 nG означает кратное увеличение выработки энергии без изменения размеров реактора и величины магнитного поля.
2. Безопасность ITER: подтверждение теории PWSO дает операторам будущего реактора ITER инструмент для безопасного выхода на проектную мощность. Контроль температуры в диверторе становится главным рычагом управления стабильностью.
3. Унификация физических моделей: результаты EAST сближают физику токамаков и стеллараторов. Стеллараторы (например, немецкий Wendelstein 7-X) традиционно считались более приспособленными к высоким плотностям. Теперь доказано, что токамаки также могут работать в этом режиме, если обеспечить чистоту плазмы на этапе запуска.

Работа команды EAST демонстрирует переход от нащупывания границ наугад к глубокому пониманию физических процессов. Предел Гринвальда оказался преодолимым инженерным препятствием. Решение проблемы кроется не в увеличении мощности магнитов, а в тонкой настройке взаимодействия плазмы с материалом камеры.

Источник:Science Advances