За да стартира ефективна термоядрена реакция, трябва да бъдат изпълнени едновременно три условия: да се достигне висока температура, плазмата да се задържи достатъчно дълго и да се осигури нейната висока плътност.
Дълго време се смяташе, че последният параметър е строго ограничен от правило, известно като границата на Гринвалд. Нови експериментални резултати от китайския токамак EAST обаче показаха, че това ограничение може да бъде заобиколено чрез промяна на физиката на взаимодействието между плазмата и стените на реактора.
С помощта на модифициран сценарий за стартиране на реактора и специфичен метод за нагряване те постигнаха плътност на плазмата, която надхвърля историческата граница с 65%, като същевременно запазиха пълната стабилност на системата.
Естеството на ограничението
От 1988 г. насам физиката на токамака се основава на закона на Мартин Грийнуолд. Това е наблюдаема зависимост, според която граничната плътност на плазмата е правопропорционална на плътността на тока, протичащ през плазмения шнур. Опитите да се повиши концентрацията на частиците над тази стойност водят до висок ръст на нестабилностите. Плазменият шнур започва да осцилира, докосва стените на камерата и моментално изстива. Това явление се нарича „срив“.
Дълго време естеството на това ограничение нямаше цялостно теоретично обяснение, но инженерите го приемаха като даденост. Повечето съвременни реактори се проектират с допускането, че не могат да работят над границата на Гринвалд (nG). Експеримент в съоръжението EAST, чиито резултати бяха публикувани в Science Advances, доказва, че този таван се дължи не на основните закони на магнитната хидродинамика, а на специфичните условия на взаимодействие на плазмата със стените на реактора.
Експерименталният свръхпроводящ токамак EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) и двете движещи се сонди, раздалечени една от друга на 89°
Проблемът с чистотата и радиационният колапс
Механизмът, който обикновено води до колапс при увеличаване на плътността, изглежда по следния начин:
В токамака плазмата не се намира в абсолютен вакуум. Нейните периферни слоеве взаимодействат с дивертора – устройство в долната част на камерата, предназначено да приема топлинните потоци и да отстранява продуктите на реакцията. Стените на дивертора в токамака EAST са изработени от волфрам. Това е огнеупорен метал, който може да издържа на огромни топлинни натоварвания.
Волфрамът обаче има недостатък. Когато периферията на плазмата е твърде гореща, удрящите се в дивертора горивни йони (деутерий) избиват металните атоми от дивертора. Този процес се нарича физическа атомизация. Тежките волфрамови атоми навлизат в основния обем на плазмата и започват процес на радиационно охлаждане.
Волфрамът, който има висок заряд на ядрото, се превръща в мощен източник на радиация. Веднъж попаднал в горещата плазма, той започва интензивно да преизлъчва енергия под формата на ултравиолетови и рентгенови лъчи, като я изхвърля от системата. Колкото по-висока е плътността на плазмата, толкова по-активно е взаимодействието със стените, толкова повече примеси попадат вътре и толкова по-бързо плазмата губи енергия. Охлаждането на плазмата променя нейната проводимост, което дестабилизира задържащото магнитно поле. Настъпва колапс.
Именно този механизъм – обратната връзка между плътността, атомизацията на стените и радиационното охлаждане – формира това, което наричаме граница на Грийнуолд.
Снимки на плазмата в токамака EAST, направени с високоскоростна камера във видимия диапазон. Кадри на разряд № 56943 във времеви точки: (а) t = 2 s в) t = 3 s, (c) t = 4,5 s, (d) t = 5 s. Последните два кадъра показват динамиката на примесите след t = 4,5 s
Техническото решение: чисто стартиране
Изследователите от EAST намериха начин да прекъснат тази верига. Хипотезата им се основава на теорията за самоорганизация на плазмата и стените. Според този модел има две стабилни състояния (или „басейни на привличане“):
Предизвикателството е било да се премине към втория режим. За тази цел е използвана комбинирана техника за задействане на разряд.
Първо, инженерите са използвали високо налягане на неутрален газ (деутерий) в момента на иницииране на плазмата. Големият брой неутрални частици в началото позволява ефективно охлаждане на периферията на плазмения шнур.
Второ, за разграждането на газа и първоначалното нагряване е използвана система за електронно циклотронно резонансно нагряване (ECRH) с мощност 600 kW. За разлика от традиционното омично нагряване (при което плазмата се нагрява от протичащ през нея ток), микровълновото излъчване на ECRH позволява енергията да се отлага по по-прецизен и контролиран начин.
Резултатите: изключване на механизма на замърсяване
Експерименталните данни показват, че предложената техника работи точно според теоретичния модел.
Ключовият фактор е намаляването на температурата на плазмата в близост до дивертора. Измерванията показват, че при високо налягане на газа и включено нагряване на ECRH температурата на плазмата в близост до стените спада под енергийния праг за разпрашаване на волфрама. Тъй като енергията на йоните е станала недостатъчна, за да разруши кристалната решетка на метала, потокът от примеси в реактора практически е спрял.
Това се потвърждава от данните от спектроскопията: ефективният индекс на заряда на плазмата, който характеризира степента на нейното замърсяване, значително намаля. Плазмата става чиста.
Липсата на тежки примеси елиминира канала за загуба на енергия чрез излъчване. В резултат на това изследователите успяха да продължат да помпат гориво в реактора, увеличавайки плътността. Системата премина границата на Гринвалд (1,0 nG) и продължи да работи стабилно до стойности от 1,65 nG.
Важно е да се отбележи, че разрядът е останал стабилен. Електромагнитната диагностика не откри развитие на опасни магнитохидродинамични нестабилности, които обикновено предшестват аварийното спиране.
Ролята на материала на стените
Успехът на експеримента е тясно свързан с използването на волфрама. Преди това подобни опити са правени на съоръжения с графитно покритие (например токамакът J-TEXT). Въглеродът обаче е подложен не само на физическо, но и на химическо разпрашаване – той реагира с водорода дори при ниски температури. Поради това „охлаждането на ръбовете“ на графитните реактори не е довело до такъв осезаем почистващ ефект.
Волфрамът, от друга страна, реагира главно на механичните въздействия на високоенергийни частици. Веднага след като температурата по периферията се намали, волфрамът престава да замърсява плазмата. Това наблюдение е важно, тъй като волфрамът е избран за материал за диверторите на строящия се реактор ITER и на бъдещите промишлени електроцентрали.
Схема на токамака ITER и интегрираните системи на комплекса, показваща сложността на съоръжението, което понастоящем се изгражда във Франция.
Значението за индустрията
Постигането на плътност, която надхвърля границата на Грийнуолд с 65%, променя икономиката и физиката на проектираните реактори.
Работата на екипа на EAST демонстрира прехода от отгатване на границите към задълбочено разбиране на физическите процеси. Границата на Грийнуолд се оказа преодолимо инженерно препятствие. Решението не е в увеличаването на мощността на магнитите, а в прецизната настройка на взаимодействието между плазмата и материала на камерата. Това е едно наистина важно откритие, което ни приближава още повече към управляемия термоядрен синтез.
Източник: Калдата
