Экспериментальный ядерный реактор синтеза Китая, часто называемый «искусственным солнцем», достиг ключевого рубежа, поддерживая плазму высокой плотности за пределами ранее установленных рабочих пределов. Этот прогресс приближает человечество к давней цели — практически неисчерпаемой чистой энергии, хотя практическое применение останется за пределами досягаемости на десятилетия.
Задача ядерного синтеза
Ядерный синтез — процесс, питающий Солнце, — обещает изобилие энергии без радиоактивных отходов, связанных с ядерным делением, или выбросов парниковых газов от ископаемого топлива. Однако воспроизвести этот процесс на Земле невероятно сложно. Одной из главных проблем является поддержание стабильной плазмы : сверхнагретого вещества, в котором атомы сливаются вместе. Плазма имеет тенденцию становиться нестабильной при высокой плотности, останавливая реакцию. Эта нестабильность регулируется так называемым пределом Гринвальда.
Как Китай преодолел предел
Экспериментальный передовой сверхпроводящий токамак (EAST) в Китае преодолел этот предел, тщательно контролируя взаимодействие плазмы со стенками реактора. Исследователи точно настроили начальное давление газообразного топлива и частоту микроволнового нагрева, чтобы сохранить плазму стабильной при плотности в 1,3–1,65 раза выше предела Гринвальда. Это позволило им достичь ранее теоретизированного состояния, называемого «режимом свободной от плотности», где стабильность поддерживается даже при увеличении плотности.
«Результаты указывают на практичный и масштабируемый путь для расширения пределов плотности в токамаках и перспективных устройствах синтеза с жгучей плазмой». — Пинг Чжу, соавтор исследования
Это не первый случай, когда предел Гринвальда был превышен. Управление энергетики США на объекте DIII-D и исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон также добились аналогичных успехов. Однако успех EAST знаменует первый случай, когда плазма поддерживалась в режиме свободной от плотности, подтверждая теорию, называемую самоорганизацией плазмы и стенок (PWSO). PWSO предполагает, что сбалансированное взаимодействие между плазмой и стенками реактора может стабилизировать даже чрезвычайно плотную плазму.
Почему это важно
Исследования в области синтеза — медленный, поэтапный процесс. Хотя практическая энергия синтеза все еще находится на расстоянии десятилетий, преодоление предела Гринвальда является важным шагом вперед. Увеличенная плотность позволяет чаще сталкивать атомы, снижая энергию, необходимую для запуска самоподдерживающейся реакции.
Китай и США сотрудничают в рамках Международного термоядерного экспериментального реактора (ITER) во Франции — крупнейшего в мире токамака, который, как ожидается, начнет производство полномасштабных реакций синтеза к 2039 году. Прогресс на объектах, подобных EAST, напрямую повлияет на разработку будущих реакторов, расширяя границы возможного в энергетике синтеза.
Несмотря на успехи, синтез остается экспериментальной наукой. Хотя потенциал огромен, он не решит текущий климатический кризис. Однако он может обеспечить устойчивый источник энергии для будущих поколений.
