Корейски реактор за термоядрен синтез чупи рекорда за плазма с температура 100 милиона градуса

Модернизацията на корейския реактор за термоядрен синтез „изкуствено слънце“ доведе до още един рекорден резултат, като новите компоненти са в състояние да издържат по-добре на високи температури и да поддържат въртящото се кълбо от плазма с температура 100 милиона градуса в продължение на почти 50 секунди.

Това е скок от близо 20 секунди при реактора KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research), който през последните години чупи собствените си рекорди за това колко дълго може да генерира и задържа безумно гореща плазма в своя корпус с форма на поничка.

При 100 милиона градуса по Целзий тежките изотопи на водорода в плазмата (горещ облак от йонизиран газ) са принудени да се слеят, освобождавайки енергия по начин, подобен на този, който се случва в ядрото на Слънцето. Предизвикателството пред ядрения синтез, който обещава по-чиста и почти неограничена енергия, обаче е да се овладее този въртящ се кръг от плазма с помощта на магнитни полета.

Последният резултат на KSTAR е впечатляващ, тъй като се сблъсква с някои ключови предизвикателства по пътя към енергията от термоядрен синтез, въпреки че други термоядрени реактори от същия технологичен клас също разширяват границите.

С изпробването на новите компоненти KSTAR подготвя почвата за Международния термоядрен експериментален реактор (ITER), който би могъл да бъде най-големият в света реактор за термоядрен синтез от типа токамак, ако успее да преодолее бюджетните ограничения и техническите пречки.

Новият рекорд на KSTAR – обявен от Корейския институт за термоядрена енергия (KFE) миналата седмица – се дължи на извършените през 2023 г. подобрения на дивертора на реактора – компонент, който се справя с най-високите температури в реактора, като същевременно отвежда отпадъчните продукти.

Диверторът на KSTAR вече е изработен от волфрам, който има много висока температура на топене, но не поглъща плазменото гориво като гъба и не реагира с него по начина, по който го правеха предишните дивертори на въглеродна основа.

Инсталирането на новите дивертори завърши миналата година, което спомогна за удължаване на рекордното време за синтез на KSTAR до 48 секунди в последния му 3-месечен цикъл, което е с половин минута повече от 2021 г.

„Въпреки че това е първият експеримент, проведен в средата на новите волфрамови дивертори, задълбоченото тестване на хардуера и подготовката на кампанията ни позволиха да постигнем резултати, надхвърлящи тези на предишните рекорди на KSTAR за кратък период от време“, обясни в изявление Си-У Юн, директор на Изследователския център KSTAR.

Трябваше обаче да се докаже, че диверторът работи при температури, седем пъти по-високи от тези на Слънцето; това в никакъв случай не беше сигурно.

Изследователите имаха очаквания той да работи подобно на дивертора на въглеродна основа, но съществуваше риск волфрамът да се счупи или новата инсталация да не успее да генерира плазма. Променен е не само материалът на дивертора, но и неговата форма.

„В началото на кампанията температурата на вътрешната стена на токамака не се повиши добре“, казва физикът Хюнсеок Ким, но изследователите успяха бързо да се приспособят към новите условия на работа, за да управляват плазмата с магнитни полета.

Волфрамовият дивертор не е единственият ъпгрейд, който помага за подобряване на работата на KSTAR. Изследователите, които си сътрудничат с Лабораторията за физика на плазмата в Принстън към Министерството на енергетиката на САЩ, пишат в Nature Communications през февруари, че са намерили начин да стабилизират слабостите по ръба на плазмата, причинени от миниатюрни дефекти в магнитните намотки, които държат плазмата на място.

Подобрението доведе до втори важен етап – задържане на плазмата във високоефективно състояние, наречено „висококонфигентен“ или „H-режим“, в продължение на 102 секунди. Предишните опити бяха ограничени до няколко секунди, след което ефективността рязко спадаше.

В идеалния случай напълно функционираща термоядрена електроцентрала би работила при критични температури в H-режим за достатъчно дълъг период от време, за да генерира устойчив източник на енергия. Тези постижения представляват монументална стъпка към тази цел.

Хьон-сеон Хан, физик по плазма в изследователския екип за високоефективни сценарии на KFE, казва, че в момента екипът преглежда последната партида експериментални данни, които ще бъдат включени в подготовката на ITER, събира резултатите си за публикуване и планира следващата си кампания.

Хан се надява, че скоро ще успеят да преодолеят границата от 50 секунди по пътя към крайната цел на проекта – до края на 2026 г. да постигнат 300 секунди работа на плазмата с температура над 100 милиона градуса.

Това е шест пъти по-дълго от сегашния рекорд на KSTAR и все още с минути по-малко от китайския експериментален усъвършенстван свръхпроводящ токамак (EAST), който от април миналата година може да генерира и поддържа плазма в продължение на почти седем минути.

Но за захранването на термоядрените реактори и генерирането на плазмени реакции дори за няколко секунди са необходими огромни количества енергия – така че способността им да генерират изобилие от чиста енергия все още е на няколко десетилетия разстояние.