Эксперименты, проведенные внутри термоядерного реактора в Китае, продемонстрировали новый способ обойти одно из ограничений плотности перегретой плазмы, закручивающейся внутри него.
На экспериментальном сверхпроводящем токамаке физики успешно преодолели предел Гринвальда — практическую границу плотности, за пределами которой плазма, как правило, резко дестабилизируется и может повреждать компоненты реактора. Долгое время этот предел считался само собой разумеющимся и учитывался при проектировании термоядерных установок.
Термоядерные реакторы предназначены для воспроизведения процессов ядерного синтеза, происходящих в недрах Солнца, и выработки большого количества энергии. Одним из ключевых препятствий на этом пути остается плотность плазмы. Чем больше атомов в плазме, тем чаще происходят столкновения и реакции синтеза, а значит, тем выше энергетический выход. В токамаках — тороидальных установках с магнитным удержанием — он напрямую связан с плотностью плазмы.
Предел Гринвальда при этом не является строгим законом физики. Это эмпирическое ограничение, позволяющее оценить, до какой плотности плазму можно увеличить, прежде чем разряд потеряет устойчивость и коллапсирует. Рост плотности усиливает излучение энергии и охлаждение на границе плазмы, особенно из-за попадания в нее атомов со стенок реактора. Эти примеси ускоряют потери энергии, что еще сильнее охлаждает плазму и запускает цепную реакцию.
В итоге ухудшается магнитное удержание, и плазма может быстро выйти из-под контроля. Поэтому реакторы обычно работают ниже предела Гринвальда, за исключением специальных экспериментов. Ранее теоретики предположили, что самоорганизация взаимодействия плазмы со стенками способна открыть особый режим, в котором это ограничение удается обойти.
Группа физиков под руководством Пин Чжу из Хуачжунского университета науки и технологий и Нин Яня из Китайской академии наук проверила эту идею экспериментально. Исследователи исходили из того, что предел плотности сильно зависит от начального взаимодействия плазмы со стенками при запуске реактора. Они точно контролировали давление топливного газа и добавили электронно-циклотронный резонансный нагрев, что позволило сформировать более холодную границу плазмы и снизить приток примесей.
В результате плотность удалось увеличить примерно на 65% выше предела Гринвальда. Это не означает полного снятия ограничений, но показывает, что предел не является фундаментальным барьером и может быть расширен за счет корректировки рабочих режимов.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, как изучают нейтрино, и какие секреты мироздания они откроют: проекты IceCube, DUNE и Super-Kamiokande.
