Термоядерный реактор KSTAR Фото: nfri.re.kr

Термоядерный реактор KSTAR Фото: nfri.re.kr

Южнокорейский термоядерный реактор KSTAR установил один из мировых рекордов по удержанию плазмы. Водород, который был разогрет до 50 миллионов градусов по Цельсию (этот показатель в три раза превышает температуру в ядре Солнца), ученым удалось сохранить в сверхпроводящем современном токамаке в режиме Н-моды на протяжении 70 секунд.

В термоядерном реакторе происходит синтез тяжелых элементов из легких. Одна из таких реакций синтеза – образование гелия вследствие слияния трития и дейтерия. Именно этим термоядерные реакторы отличаются от ядерных, где происходит распад тяжелых ядер на более легкие. Самой популярной установкой для проведения термоядерного синтеза является токамак. Это торовидная камера с магнитными индукторами, которую в 1951 году предложили советские физики Игорь Томм и Андрей Сахаров. В таком реакторе происходит удержание плазмы при помощи магнитного поля, которая приобретает форму тороидального жгута, по которому идет электрический ток.

Южнокорейская установка KSTAR принадлежит Национальному институту термоядерных исследований и находится в 160 километрах от Сеула, в городе Тэджон. Это токамак. Проект установки утвердили в 1995 году, однако вследствие азиатского финансового кризиса, который произошел в 1997-1998 годах, реализация его была отложена. Построен реактор был к осени 2007 года, а спустя год в него была впервые пущена плазма.

Малый радиус реактора достигает 0,5 метра, большой – равен 1,8 метра, максимальный ток в плазме равен 2 мегаампер, а максимальная индукция магнитного поля в плазменном шнуре – 3,5 тесла. Благодаря этим параметрам реактор KSTAR входит в десять самых крупных токамаков в мире. Впрочем, главной его особенностью является магнитная система, полностью сверхпроводящая, которая увеличивает габариты реактора до 8,8 метров в диаметре и 8,6 метров в высоту.

Подобная конструкция дает возможность получить магнитное поле с нужными характеристиками и при этом не терять энергию на тепло. С этой целью сверхпроводящие магниты охлаждают до температурных показателей, равных минус 269 градусов по Цельсию. Плазму формируют изотопы водорода с одним или несколькими нуклонами в ядре – протий и дейтерий, но не тритий, который необходим для реакции ядерного синтеза. В то же время, его вполне достаточно для проведения исследований плазмы, которые необходимы, чтобы успешно запустить международный экспериментальный термоядерный реактор ITER.

Термоядерный реактор KSTAR стал первой в мире сверхпроводящей установкой, в которой в режиме Н-моды удалось удержать водород, разогретый до 50 миллионов градусов по Цельсию, на протяжении 70 секунд. Работать в режиме Н-моды токамак начал в конце осени 2010 года. Начиная с 2011 года южнокорейскими физиками время удержания плазмы постепенно наращивалось с 5,2 до 70 секунд. Сам режим Н-моды, который обеспечивает рост температурных показателей в центре плазмы и снижение тепловых потерь, выявили в 1982 году в процессе проведения экспериментов на немецком реакторе ASDEX.

Как отмечают ученые, режим Н-моды характеризуется ELM-нестабильностями: формированием турбулентности на периферии плазмы, вследствие чего она попадает на устройства для удаления частиц – дивертора. На токамаке KSTAR ученые научились эти нестабильности подавлять. Для этого на внутренних стенках вакуумной камеры были размещены специальные магниты, отводящие от периферии плазменного шнура избыток энергии.

Главными конкурентами ученых из Южной Кореи, видимо, являются их коллеги из Китая, в частности, специалистам Института физики плазмы АН КНР, которым удалось достичь еще более впечатляющих результатов на сверхпроводящем реакторе EAST. Они сумели в режиме Н-моды разогретую до 50 миллионов градусов по Цельсию плазму сохранить на протяжении минуты в состоянии неиндуктивного горения. Иными словами, ток в плазме поддерживался не наведенным током в центральной катушке, как при индуктивном горении, а радиоисточниками и инжекторами.

Для величины кольцевого тока характерным является узкий интервал изменения значений, что делает длительность электрического тока ограниченной во времени. Катушка может работать в переменном режиме, но для этого необходимы большие затраты энергии. В токамаке KSTAR также возможно неиндуктивное горение, то корейские ученые отстают в данном направлении от своих китайских коллег.

Китайские ученые на своей установке, к слову сказать, в феврале текущего года сумели в течении 120 секунд удержать в состоянии равновесия плазму, разогретую до 50 миллионов градусов по Цельсию, но не в режиме Н-моды. Интересно, что установка EAST – это модифицированная версия реактора НТ-7, который был построен в сотрудничестве с Советским Союзом.

В режиме Н-моды также должен работать и международный реактор ITER. Предполагается, что на первом этапе будет происходить гибридное горение, а позже – исключительно неиндукционное. Именно поэтому, проводимые на реакторах EAST и KSTAR исследования крайне актуальны.

В настоящее время главными учредителями ITER являются Европейский Союз, Китай, Индия, Южная Корея, США, Россия и Япония. В рамках проекта занято около 35 стран, общее население которые превышает половину населения планеты. С 1994 года по квоте России в данном проекте принимает участие и Казахстан. Сроки запуска реактора много раз переносились, в настоящее время ученые говорят о том, что эксперименты начнутся в 2025 году.

На сегодняшний день Япония, Китай, Южная Корея и Франция, в отличие от Великобритании и США, наиболее интенсивно занимаются развитием исследований в области термоядерного синтеза. В Штатах был закрыт один из наиболее мощных термоядерных реакторов в стране – Alcator C-Mod. А британский JET, который является самым крупным в мире токамаком, может столкнуться с большими финансовыми трудностями из-за Brexit.

По словам заместителя директора проекта EAST, физика Ло Гуаннаня, Китай является единственной страной в мире, которая увеличила бюджет термоядерных исследований. В Европе финансирование сократилось, в США предложения о строительстве новых исследовательских центров отклонил Конгресс, в Японии также нет никакого прогресса. Все это дало повод китайскому физику Вань Юаньси, который в китайской Академии наук занимается исследованиями термоядерного синтеза, надеяться на то, что именно в Китае построят первую в мире термоядерную электростанцию.

No related links found


Комментарии:

Leave a reply