В ходе экспериментов, проводимых на Объединенном европейском токамаке (JET) Управления по атомной энергии Великобритании (UKAEA) в Калхаме, удалось получить «чистую» плазму за счет создания теплового барьера.
Чтобы выдерживать интенсивное тепло, образующееся в процессе термоядерного синтеза, внутренние стенки токамака должны быть изготовлены из металлов с высокой температурой плавления, таких как вольфрам. Однако вольфрам может загрязнять и разбавлять плазму, когда горячая плазма взаимодействует со стенками установки. Образовавшиеся примеси могут чрезмерно охлаждать плазму, поглощая тепло, которое затем выходит из нее в виде света. Это уменьшает мощность реакций термоядерного синтеза в плазме.
Ученые из EUROfusion и UKAEA выяснили, что создание особого вида «теплового барьера» предотвращает попадание вольфрамовых загрязнений в ядро плазмы. Такой барьер напоминает тонкую кожу с внешней стороны плазмы, где создается большой перепад температуры, составляющий 20 миллионов градусов Цельсия. До демонстрации на JET этот способ поддержания «чистой» плазмы был чисто гипотетическим. Метод был опробован в рамках серии экспериментов, которые способствовали тому, что JET побил мировой рекорд получения устойчивой энергии термоядерного синтеза в 2022 г.
«Наши измерения показали, что мы на шаг ближе к решению одной из величайших научных задач нашего времени, – сказал доктор Энтони Филд, старший научный сотрудник UKAEA. – Плазма может защитить себя от вольфрамовых загрязнений, которые могут охладить ее, при условии поддержания на границе плазмы перепада температуры, составляющего 20 миллионов градусов Цельсия. Этот барьер не дает ионам вольфрама помешать нам в достижении условий термоядерного синтеза».
Полученные результаты будут использованы в работе на Международном термоядерном экспериментальном реакторе (ИТЭР), который в настоящее время строится в Сен-Поль-ле-Дюранс на юге Франции. Доктор Жоэль Майлу, руководитель целевой группы JET, сказала, что это был «основной результат, предсказанный теорией, который мы никогда раньше не наблюдали». Она объяснила: «При определенных условиях мы можем заставить плазму вытеснить металлические примеси к самой границе, чтобы они не охлаждали удерживаемую плазму, где происходит реакция термоядерного синтеза. Это важнейший компонент для обеспечения устойчивой высокой производительности синтеза в ITER».
Доктор Альберто Лоарте, руководитель научного отдела организации ITER сказал, что результаты подтверждают давний прогноз о том, что высокопроизводительные плазмы, необходимые для производства энергии термоядерного синтеза, могут очень эффективно оградить себя от примесей вольфрама, поступающих из стенок установки. «Это было очень сложно продемонстрировать экспериментальным путем, поскольку для этого в небольших современных токамаках необходимо достичь условий, приближенных к условиям ITER. Ученым JET удалось приблизиться к условиям ITER, чтобы увидеть этот новый эффект в действии. Это обеспечивает надежную основу для наших прогнозов поведения плазмы в реакторе ITER».
Доктор Атина Каппату, научный координатор экспериментов JET из немецкого Института физики плазмы Макса-Планка сказала: «Мы знали, что теория предсказывала, как ITER-плазмы могут использовать резкий перепад температуры для предотвращения проникновений примесей, но этого еще не было продемонстрировано на нашем устройстве. Было очень интересно увидеть, что мы можем создать условия, достаточно близкие условиям ITER, чтобы продемонстрировать этот эффект в плазмах JET и извлечь из этого пользу для решения вопроса по достижению высокой производительности синтеза».
В феврале 2022 г. токамак JET продемонстрировал рекордные 59 МДж устойчивой энергии термоядерного синтеза. Этого удалось достичь консорциуму экспертов, студентов и сотрудников EUROfusion со всей Европы при совместном финансировании Европейской комиссией. Углубленный анализ результатов серии экспериментов, проводимых на рекордных мощностях токамака JET, будет представлен на Конференции МАГАТЭ по термоядерному синтезу в октябре.