Излучатель X-point излучает не только УФ-свет, но и видимый синий свет в кольцеобразной области над дивертором. На левой картинке показано изображение с камеры (ниже нормального красного свечения края холодной плазмы). Справа численное моделирование явления X-точки излучателя.
Предоставлено: MPI für Plasma Physics/E. Хьютт

Международный экспериментальный реактор ИТЭР, который в настоящее время строится на юге Франции, представляет собой самый передовой способ получения энергии на термоядерной электростанции. Конструкция соответствует принципу токамака, т. е. термоядерная плазма с температурой более 100 миллионов градусов удерживается в магнитном поле, имеющем форму пончика. Эта концепция предотвращает контакт горячей плазмы с ограждающей стенкой и ее повреждение. Эксперимент на токамаке ASDEX Upgrade в IPP в Гархинге недалеко от Мюнхена служит образцом для ITER и более поздних термоядерных электростанций. Здесь были разработаны важные элементы для ИТЭР. А условия работы плазмы и компоненты для более поздних силовых установок можно опробовать уже сегодня.

Горячая плазма приближается к дивертору

Центральным элементом ASDEX Upgrade и всех современных установок магнитного синтеза является дивертор. Это часть стенки сосуда, которая отличается особой термостойкостью и требует сложной конструкции. «В дивертор поступает тепло от плазмы на стене. В более поздних электростанциях продукт синтеза гелий-4 также будет извлекаться там», — пояснил профессор Ульрих Штрот, глава отдела плазменных кромок и стен в IPP. «В этом регионе нагрузка на стену особенно высока». Таким образом, диверторные плитки ASDEX Upgrade, а также ITER сделаны из вольфрама, химического элемента с самой высокой температурой плавления (3422°C).

Без контрмер 20% термоядерной мощности плазмы достигло бы поверхностей дивертора. Прибл. 200 мегаватт на квадратный метр, это примерно те же условия, что и на поверхности Солнца. Однако дивертор в ИТЭР, а также будущие термоядерные электростанции смогут выдерживать максимум 10 мегаватт на квадратный метр. По этой причине в плазму добавляются небольшие количества примесей (часто азота). Они извлекают большую часть своей тепловой энергии, преобразовывая ее в ультрафиолетовый свет. Тем не менее край плазмы (сепаратрису) необходимо держать на расстоянии от дивертора, чтобы защитить его. В обновлении ASDEX до сих пор это было не менее 25 сантиметров (измеряется от нижнего наконечника плазмы — точки X — до краев дивертора).

Радиатор X-point открывает новые возможности для конструкции термоядерного реактора

Теперь исследователям из IPP удалось сократить это расстояние до менее чем 5 сантиметров, не повредив стену. «Для этого мы специально используем излучатель X-point — явление, которое мы обнаружили около десяти лет назад во время экспериментов на ASDEX Upgrade», — сказал исследователь IPP доктор Матиас Бернерт. «Излучатель точки X возникает в магнитных клетках особой формы, когда количество добавленного азота превышает определенное значение».

Это приводит к образованию небольшого плотного объема, который особенно сильно излучает в УФ-диапазоне. «Такие примеси дают нам несколько худшие свойства плазмы, но если мы установим излучатель точки X в фиксированное положение, изменяя подачу азота, мы сможем проводить эксперименты на более высокой мощности, не повреждая устройство/дивертор», — объяснил доктор Бернерт.

На изображениях камеры из вакуумного сосуда излучатель точки X (сокращенно XPR) можно увидеть как синее светящееся кольцо в плазме, поскольку он также излучает видимый свет в дополнение к УФ-излучению. Исследователи IPP недавно интенсивно исследовали XPR. Тем не менее, случай также сыграл свою роль в нынешнем открытии: «Мы случайно переместили край плазмы намного ближе к дивертору, чем планировали», — сказал физик IPP доктор Тилманн Лант.

«Мы были очень удивлены, что ASDEX Upgrade без проблем справился с этим». Поскольку эффект может быть подтвержден в дальнейших экспериментах, исследователи теперь знают: когда присутствует излучатель X-точки, значительно больше тепловой энергии преобразуется в УФ-излучение, чем предполагалось ранее. При этом плазма излучает до 90% энергии во всех направлениях.

Термоядерные электростанции могут быть построены компактнее и дешевле

Это приводит к выводам, которые могут оказаться очень благоприятными для строительства будущих термоядерных электростанций:

• Диверторы могут быть меньше и технологически намного проще, чем раньше (Компактный радиационный дивертор).
• Поскольку плазма перемещается ближе к дивертору, объем вакуумной камеры может быть лучше использован. Первоначальные расчеты показывают, что если бы сосуд имел оптимальную форму, то можно было бы почти удвоить объем плазмы при сохранении тех же размеров. Это также увеличило бы достижимую мощность термоядерного синтеза. Но исследователям сначала предстоит проверить это в дальнейших экспериментах.

Кроме того, использование излучателя с точкой X также помогает против краевых локализованных мод (ELM): сильных энергетических выбросов на краю плазмы, которые повторяются через равные промежутки времени и выбрасывают около десятой части энергии плазмы к стенке . ИТЭР и будущие термоядерные реакторы будут повреждены такими извержениями.

«Мы имеем дело со значительным открытием в области термоядерных исследований», — таков вердикт директора отдела IPP Ульриха Штрота. «Излучатель X-point открывает для нас совершенно новые возможности в разработке силовой установки. Мы будем дальше исследовать теорию, лежащую в его основе, и попытаемся лучше понять ее с помощью новых экспериментов на ASDEX Upgrade». Гархингский токамак скоро будет идеально для этого оборудован: к лету 2024 года он будет оснащен новым верхним дивертором. Его специальные катушки позволят свободно деформировать магнитное поле вблизи дивертора и, таким образом, также оптимизировать условия для излучателя X-point.