Рекорд ядерного синтеза: 160 кубических метров плазмы, генерируемой крупнейшим в мире токамаком

JT-60SA, крупнейший в мире реактор ядерного синтеза, произвел рекордный объем плазмы — 160 кубических метров, что занесено в Книгу рекордов Гиннесса. Эти результаты могут помочь оптимизировать управление большими объемами плазмы для реакторов ITER и DEMO. Этот технологический успех является шагом вперед на пути к коммерческому использованию энергии ядерного синтеза.

JT-60SA (JAERI — Japan Atomic Energy Research Institute — Tokamak 60 Super Advanced) — это совместный проект Японии и Европы, направленный на поддержку технических целей проектов ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) и DEMO. Имея высоту 15,5 метров (примерно половина высоты ITER) и расположенный в Нака, префектура Ибараки, Япония, он является крупнейшим экспериментальным сверхпроводящим плазменным токамаком в мире на сегодняшний день (до ввода ITER в эксплуатацию).

JT-60SA — это современная версия японского реактора JT-60, который с 1980-х годов является ведущим инструментом в исследованиях ядерного синтеза. После генерации первой плазмы (ионизированного газа при экстремально высоких температурах) в октябре прошлого года были достигнуты значительные успехи в оптимизации управления плазмой больших размеров.

На 60 м³ больше предыдущего рекорда

Для генерации и удержания плазмы, температура которой может достигать 100 миллионов градусов Цельсия, в JT-60SA используются мощные сверхпроводящие катушки, охлажденные до -269 °C. Характеристики этих катушек позволяют им пропускать мощные электрические токи без сопротивления, создавая интенсивные магнитные поля, которые эффективно удерживают плазму.

Точнее, высокотемпературная плазма заключена в тороидальное магнитное поле, создаваемое внешними катушками (основное магнитное поле), и радиальное полоидальное магнитное поле, создаваемое окружным электрическим током, протекающим в самой плазме. Полоидальное поле представляет собой небольшое круговое кольцо вокруг поверхности катушки, а тороидальное поле представляет собой большое круговое кольцо вокруг тора. Тор находится в вакууме, чтобы предотвратить загрязнение плазмы посторонними частицами. Такая конфигурация позволяет генерировать длинноимпульсную плазму сложной формы.

Диаграмма, показывающая полоидальное направление (показано красной стрелкой) и тороидальное направление (синяя стрелка).

После ряда оптимизаций, направленных на увеличение объема генерируемой плазмы, были проведены различные этапы операций для оценки новых характеристик JT-60SA. Они включали вакуумную откачку реактора, охлаждение сверхпроводящих катушек и испытания на впрыск энергии в катушки. Инженеры получили объем плазмы в 160 кубических метров, что на 60 кубических метров больше предыдущего рекорда. Церемония занесения этого достижения в Книгу рекордов Гиннесса состоится в Институте науки и технологии термоядерного синтеза Нака 19 октября.

На шаг ближе к вводу ITER в эксплуатацию

По словам исследователей, способность реактора удерживать плазму зависит от его размеров, а это значит, что будущие эксперименты по зажиганию могут предложить более высокую производительность. Эти результаты также могут быть использованы для оптимизации управления более крупными плазмами, адаптированными к реакторам ITER и DEMO. Динамика плазмы, генерируемой JT60-SA, схожа с той, что прогнозируется для ITER, что позволит изучить ее осуществимость в долгосрочной перспективе.

«В рамках международного сотрудничества Японии, Европы, России, США, Китая, Кореи и Индии проект направлен на демонстрацию научной и технологической осуществимости термоядерной энергии путем строительства и эксплуатации ITER», — объясняют эксперты в пресс-релизе Национального института квантовой науки и технологии (QST) в Японии. Конечной целью ITER является получение энергии термоядерного синтеза, в 10 раз превышающей ту, которая требуется реактору для генерации плазмы. Первые полномасштабные эксперименты должны начаться к 2035 году.

Реактор DEMO планируется построить на основе результатов JT-60SA и ITER. Его цель — продемонстрировать экономическую целесообразность производства энергии за счет ядерного синтеза. «QST будет активно применять знания, полученные в ходе работы над JT-60SA, в реакторах ITER и DEMO и продолжит работать в качестве ядра для ранней коммерциализации термоядерной энергии», — говорит команда. В настоящее время рассматриваются концептуальные планы строительства реактора к 2050 году.

Однако, как и в большинстве проектов ядерного синтеза, в проекте JT-60SA произошли значительные задержки, что, в свою очередь, привело к увеличению первоначальных сроков реализации проектов ITER и DEMO. Хотя первоначально установка должна была быть введена в эксплуатацию в 2016 году, проблемы с поставками и землетрясение в Тохоку в 2011 году отодвинули дату первых испытаний на 2021 год.

Затем произошел инцидент с электрическим кабелем, питающим одну из сверхпроводящих магнитных катушек. Это привело к капитальному ремонту изоляции более 100 электрических узлов — колоссальной задаче, которая заняла 2,5 года. Это также заставило инженеров ITER запланировать более строгие проверки катушек. Подобные технические непредвиденные ситуации все еще могут возникнуть в будущем, и сроки ввода в эксплуатацию следующих двух реакторов могут быть перенесены.