Важнейшие результаты экспериментов JET по усовершенствованию термоядерных установок

Спустя год после завершения финальных научных экспериментов Совместного европейского проекта Torus (JET) были получены важные результаты, которые сыграют ключевую роль в разработке будущих термоядерных установок.

Результаты экспериментов JET привели к тому, что только в 2024 году было опубликовано 96 научных статей в различные научные журналы, в том числе 18 под руководством ученых UKAEA в качестве первых авторов.

JET, расположенный в кампусе Управления по атомной энергии Соединенного Королевства (UKAEA) в Калхэме в Оксфордшире, был одним из крупнейших и наиболее мощных действующих токамаков в мире.

До недавнего времени это был единственный токамак, способный использовать изотопы водорода дейтерий и тритий в своей топливной смеси для получения термоядерной плазмы.

Эта комбинация видов топлива рассматривается как топливо будущего для силовых установок.

Основное направление экспериментов JET

Последние эксперименты JET с дейтерием и тритием, также известные как «DTE3», были сосредоточены на трех ключевых областях:

1. Изучение плазмы
2. Материаловедение
3. Нейтроника

Несколько впечатляющих достижений, полученных в ходе экспериментов DTE3, способствуют углублению понимания науки о плазме и методов работы будущих токамаков.

К ним относятся:

Технология работы с плазмой

• Значительно снижает воздействие высоких температур на внутренние стенки машины, повышая ее долговечность и эффективность.
• Более глубокое понимание периодической нестабильности, возникающей на границе плазмы в токамаках, известной как локализованные на границе режимы (ELM), которые имеют решающее значение для поддержания удержания плазмы.
• Первая успешная демонстрация управления высокой термоядерной мощностью в режиме реального времени путем регулирования соотношения дейтерия и трития в топливе, необходимого для поддержания стабильных условий в плазме.

Материаловедение

• Инновационное использование лазеров для измерения количества трития, оседающего на внутренних стенках аппарата в промежутках между экспериментами с плазмой, позволяет более точно распределять топливо и утилизировать его.

Нейтроника

• Углубленный анализ воздействия нейтронов на различные компоненты машины, проведенный только во второй раз в условиях токамака с использованием топлива, пригодного для силовых установок. В ходе испытаний были использованы такие материалы, как вольфрам и сплавы, медный хром-циркониевый сплав (CuCrZr) и EUROFER, которые были выбраны из-за их высокой термостойкости и низкой степени активации.
• Полученные результаты позволили с большей уверенностью прогнозировать уровни активации этих материалов во время операций плавления.

Результаты экспериментов JET можно найти в нескольких научных журналах, таких как «Ядерный синтез«, «Ядерные материалы и энергия«, «Физика плазмы«, «Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез» и «Обзор научных приборов«.

Дальнейшие эксперименты JET после DTE3

Помимо этих экспериментов, эксперименты JET с DTE3 также позволили получить ценную информацию об оптимизации материалов для использования в экстремальных условиях, повышении эффективности работы внутри корпуса и разработке термоядерных установок следующего поколения.

После экспериментов с DTE3 были проведены заключительные эксперименты с использованием дейтерия, в ходе которых были расширены границы применения JET.

Заметным достижением стало успешное использование метода отрицательной треугольности, также известного как «инвертированная конфигурация плазмы», в импульсах продолжительностью до минуты. Импульс — это время, в течение которого плазма сохраняется во внутреннем корпусе аппарата.

Использование отрицательной треугольности показало улучшение характеристик плазмы, улучшив удержание и стабильность плазмы.

В этой конфигурации верхняя и нижняя кривые плазмы загибаются внутрь, придавая ей вид буквы D.

Это контрастирует с более распространенной положительной треугольностью, при которой верхняя и нижняя части плазмы изгибаются наружу.

Лучшее понимание важнейших механизмов, лежащих в основе физики термоядерного синтеза

В кампусе UKAEA в Калхэме были проведены совместные семинары, направленные на повышение эффективности анализа данных DTE3, углубление понимания физических механизмов, лежащих в основе полученных результатов, и изучение их применимости к будущим токамакам, использующим дейтериевое и тритиевое топливо, с помощью численного моделирования.

В ближайшие годы планируется проведение дополнительных семинаров для продолжения этой важной работы.

Джоэль Майлу, руководитель программы JET Science в UKAEA, сказала: “За прошедший год UKAEA провела проверку данных и диагностические калибровки, гарантируя, что качество данных соответствует исключительным результатам экспериментов JET в 2022 и 2023 годах.

— Это позволило более чем 300 ученым EUROfusion из 30 исследовательских подразделений со всей Европы, включая UKAEA, проанализировать и смоделировать данные, полученные с помощью JET”.

Ожидается, что опыт, полученный в ходе перепрофилирования и вывода из эксплуатации JET, продлится примерно до 2040 года, и за это время он позволит получить беспрецедентную информацию, которая поможет в проектировании и разработке будущих термоядерных установок.