Токамакът EAST запази плазмата стабилна цяла минута: как новият режим предпази реактора от топлинно претоварване

Термоядреният синтез е многообещаващ източник на чиста енергия. Той се основава на процеса на сливане на леки атомни ядра, който протича при температури от десетки и стотици милиони градуси по Целзий. Невъзможно е нагрятото до такова състояние вещество да се задържи във физически контакт с каквито и да било твърди материали – стените на инсталацията просто ще се изпарят. Затова учените използват магнитни полета. Инсталациите, в които плазмата се задържа в тороидална вакуумна камера с помощта на свръхмощни магнити, се наричат токамаци.

Само че магнитното задържане не е съвършено. Част от горещата плазма неминуемо напуска централната зона и се устремява към краищата. Основното техническо и физическо предизвикателство за бъдещите промишлени реактори е да се създадат условия, при които тази излишна енергия може да се разсейва безопасно, без да се разрушава металната обвивка на камерата. Изследователите, работещи по китайския свръхпроводящ токамак EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak), са намерили начин да решат този проблем. В статия, публикувана в научното списание Physical Review Letters, те описват нов режим на работа на съоръжението, който позволява стените на реактора да бъдат защитени благодарение на естествен физически процес – контролираната микротурбуленция.

Уязвимата точка на вакуумната камера

В конструкцията на съвременния токамак има специална зона, наречена дивертор. Диверторът е разположен в долната част на вакуумната камера и служи като физически приемник за отработените плазмени частици и излишната топлина. По същество това е област, в която магнитните полета насочват целенасочено енергийните потоци, за да бъдат изхвърлени от реактора.

В проектите за бъдещи мащабни съоръжения, като например международния експериментален реактор ITER, който се изгражда във Франция, вътрешните защитни панели ще бъдат изработени от чист волфрам. Волфрамът има най-високата температура на топене сред металите, но дори физическите му предели не му позволяват да издържи на прякото топлинно натоварване от плазмения поток на гигантския реактор. Без допълнителни мерки за топлинно управление диверторните плочи бързо ще се разрушат.

За да предотвратят разтопяването на метала, физиците използват метод, известен като „отделяне на плазмата“. Същността на технологията е следната: неутрален газ, като азот или неон, се впръсква в долната част на камерата, директно към диверторните пластини. Този студен газ образува защитен буферен слой. Той се сблъсква с горещите плазмени частици, отнема част от кинетичната им енергия и я разпръсква под формата на електромагнитно излъчване във всички посоки. В резултат на това температурата на плазмата в близост до метални повърхности многократно се намалява, термичното натоварване на волфрама спада до приемливо ниво, а самият плазмен шнур губи директен контакт с метала.

Средна електронна плътност в центъра (черната графика) и SMBI импулсите за инжектиране на деутерий за контрол на плътността (в синьо) Проблемът с краевите нестабилности

Методът на газово охлаждане на дивертора е технически ефективен, но има критичен страничен ефект. Охлаждащият газ не се задържа стриктно на дъното на камерата. Нискотемпературната зона неизбежно се разпространява нагоре към основния обем на нажежената плазма. Това води до непредвидено охлаждане на граничния слой на плазмата, което във физиката на магнитното ограничаване се нарича „пиедестал“.

Пиедесталът е тесният външен бариерен слой на плазмения шнур. Той се характеризира с рязка разлика в налягането и температурата в сравнение с по-дълбоките слоеве. Именно стабилността и високата плътност на пиедестала осигуряват запазването на колосалното налягане в центъра на реактора, което е абсолютно необходимо за протичането на реакцията на синтез. Когато газът от дивертора се издига и охлажда пиедестала, общата енергийна ефективност на реактора се намалява.

По-сериозна последица от охлаждането на ръба на плазмата е появата на локализирани на ръба режими (ELM – Edge-Localised Modes). Това са макроскопични нестабилности, които се проявяват като периодични резки изхвърляния на огромни количества енергия и заредени частици от граничния слой. Тези емисии пробиват магнитната изолация и се удрят директно в волфрамовите стени на основната камера.

Ударите предизвикват интензивна ерозия на материала: тежките волфрамови атоми се изтръгват от металната матрица и се устремяват към центъра на нажежената плазма. Веднъж попаднал в активната зона, волфрамът предизвиква рязко увеличаване на загубата на енергия във вид на излъчване, което моментално охлажда ядрото и напълно спира термоядреното горене. По този начин физиците се изправиха пред противоречива задача: необходимо е да се поддържа студен буфер в дивертора, но в същото време да се поддържа гореща границата на плазмата в ядрото, което да предотврати деградацията на пиедестала и появата на енергийни емисии.

Плазменият ток (черната графика) и входящата мощност на микровълновото нагряване на ECRH (в синьо) Пространствената изолация на примесите при EAST

Изследователският екип на токамака EAST демонстрира експериментален режим, който напълно решава горния проблем. Те успяха да поддържат плазмата в стабилно състояние на висока конфигурация без нито една ELM емисия в продължение на 50 секунди. За съвременната физика на термоядрения синтез това е показател за стабилен режим на устойчиво състояние. Новата техника беше наречена DTP (Detached, Turbulence-dominated Pedestal – отделен, доминиран от турбулентността пиедестал).

Техническата основа на успеха беше специфичната геометрия на долния дивертор на токамака EAST. Той има затворена форма с правоъгълна конфигурация. По време на тестовете в тази зона се подава азот. Правоъгълната геометрия на дивертора работи като бариера: поради многобройните отражения от стените неутралните азотни атоми се концентрират в долната част на камерата.

Тъй като значителна част от топлинния поток се разсейва от буферния газ, в затворения дивертор се появява ефект на енергиен глад. Намаляването на входящата енергия води до намаляване на степента на йонизация на газовата смес. Това от своя страна води до локално повишаване на налягането на неутралния газ. Повишеното налягане в дивертора позволи на стандартните вакуумни помпи на инсталацията да изпомпват отработения азот с много по-висока ефективност.

В резултат на този термодинамичен баланс охлаждащите примеси престават да проникват нагоре към границата на основната плазма. Пиедесталът спира да губи топлина. Плътността на частиците в края на плазмения шнур леко намалява, но температурата на бариерния слой рязко се повишава. Образува се стръмен температурен градиент – физическо състояние, при което на малко разстояние настъпва изключително бърза промяна на температурата.

Профили на електронната плътност, измерени чрез метода на честотната рефлектометрия Физиката на микротурбулентното разсейване на топлината

Резкият температурен градиент в граничния слой инициира явление, което осигурява окончателната стабилност на системата. При тези параметри в плазмата спонтанно се появява високочестотна широколентова микротурбуленция. Използвайки жирокинетично компютърно моделиране, учените определят този процес като начин на работа на уловените електрони.

При стандартните режими на работа на токамака енергията в граничния слой се натрупва, докато градиентът на налягането не превиши границата на якост на магнитната бариера. След това настъпва неизбежното и разрушително освобождаване на енергия – ELM. Появата на микротурбулентност в режима на DTP драматично промени тази механика.

Вместо циклични макроскопични излъчвания, високочестотните електромагнитни трептения (в диапазона от 400 до 700 килохерца) образуват непрекъснат радиален канал в граничния слой за радиално изтичане на частици и топлина. Турбулентността принуждава плазмата да пренася излишната енергия през магнитното поле равномерно и плавно.

Налягането в граничния слой на плазмата престава да достига критична стойност. Системата навлиза в състояние на стабилно динамично равновесие: диверторът оставаше изолиран газов буфер, надеждно защитаващ долните пластини, а основната плазмена граница непрекъснато отклонява енергията без разрушителни взривове. Стените на токамака вече не ерозират, а тежките метали не замърсяват реакционното ядро.

Моделиране на линейните режими в областта на градиента на пиедестала на реактора на ITER с помощта на софтуерни кодове Значението за проекта ITER и промишлената енергетика

Резултатите от експериментите в съоръжението EAST са полезни за развитието на енергията от термоядрен синтез и преди всичко за международния реактор ITER, който е в процес на изграждане. Ръководството на проекта ITER неотдавна преразгледа техническия проект на съоръжението, като реши да премахне напълно използването на берилий във вътрешната облицовка на вакуумната камера. Берилийът частично адсорбира примеси, но неговата термична устойчивост се оказа недостатъчна.

Сега цялата вътрешна повърхност на вакуумната камера на ITER ще бъде изработена от волфрам. Това прави реактора абсолютно уязвим към локални режими на ръба (ELM), тъй като освобождаването на волфрам в активната зона е несъвместимо с поддържането на термоядрено горене. Осигуряването на режим на работа без крайни изригвания се превръща в задължително условие, за да може ITER да достигне проектния си капацитет.

Китайският East Fusion Reactor постави нов рекорд

При изследванията на китайския токамак е използван азот. Азотът е неподходящ за работата на ITER. В условията на продължителна работа на реактора азотът реагира химически с нагорещения волфрам и изотопите на водорода (по-конкретно с радиоактивния тритий). Получените съединения могат да блокират системите за пречистване и циркулация на тритиевото гориво, което води до спиране на инсталацията. Поради тази причина инженерите на ITER ще използват химически инертния неон, който може да изпълнява подобни функции при по-високи температури, за да образува газовата възглавница.

Въпреки промяната на работния газ, основните физични принципи за контрол на граничния слой ще останат непроменени. Освен това подробното математическо моделиране, извършено при отчитане на параметрите на базовия сценарий на ITER, потвърди обещаващия характер на този подход. Изчисленията показват, че при по-големия мащаб на реактора на ITER градиентът на плътността на частиците в краищата на плазмата ще бъде по-нисък и честотата на сблъсъците между частиците ще намалее. Според уравненията на магнитната хидродинамика тези условия значително опростяват режимното възбуждане на уловените електрони.

В продължение на десетилетия инженерните подходи при проектирането на магнитни капани се основават на концепцията за стриктно потискане на всякакви нестабилности. Експерименталните данни на екипа на EAST показват необходимостта от преминаване към нов клас решения. Контролираното създаване на микротурбулентност в локализираните области на плазмата позволява да се избегнат фатални нарушения на макроструктурата. Това откритие предлага възпроизводим алгоритъм за дългосрочна експлоатация на реактори за термоядрен синтез с метални стени, премахвайки една от основните пречки пред комерсиалната термоядрена енергия.

Франция преди време подобри световния рекорд по продължителност на термоядрената плазма

Експерименталните данни от EAST са директно приложими за международния проект ITER, който се изгражда във Франция. Тъй като китайският реактор е напълно свръхпроводим и използва метални компоненти, подобни на тези в ITER, доказаната стабилност на супер-H-модата дава на глобалната научна общност готов „рецептурник“ за управление на плазмата в индустриални мащаби.

Това постижение потвърждава лидерската роля на Китай в областта на контролирания термоядрен синтез и скъсява времето до появата на първите търговски реактори, способни да генерират чиста и безопасна енергия без въглеродни емисии.