Wendelstein 7-X: рекорд устойчивости плазмы приближает эру чистой энергии

В исследованиях управляемого термоядерного синтеза достигнут исторический рубеж на стеллараторе Wendelstein 7-X, самом совершенном устройстве такого типа в мире. Совместная работа ученых из Европы и США позволила установить новый мировой рекорд по ключевому показателю эффективности синтеза, известному как «тройное произведение», которое объединяет плотность, температуру и время удержания плазмы. Этот результат является самым высоким из когда-либо достигнутых в длительных плазменных разрядах и значительно укрепляет позиции стеллараторов как основы для будущих термоядерных электростанций. Данное достижение подтверждает, что Wendelstein 7-X становится одним из ведущих претендентов в глобальной гонке за чистой и практически неисчерпаемой энергией.

Уникальность установки Wendelstein 7-X, расположенной в Грайфсвальде, Германия, и управляемой Институтом физики плазмы Макса Планка (IPP) при поддержке консорциума EUROfusion, заключается в ее конструкции. В отличие от более распространенных токамаков, стеллараторы для удержания сверхгорячей плазмы используют исключительно сложные внешние магнитные поля. Это устраняет необходимость в мощном электрическом токе, протекающем через саму плазму, что делает систему по своей природе более стабильной и лучше подходящей для непрерывной генерации энергии. Недавняя экспериментальная кампания, получившая название OP 2.3, завершилась рекордными показателями, которые демонстрируют потенциал стелларатора в достижении критических параметров, необходимых для работы промышленной термоядерной электростанции.

В ходе финального эксперимента кампании OP 2.3 команда Wendelstein 7-X успешно поддерживала рекордно высокое значение тройного произведения в течение 43 секунд. Этот показатель превосходит предыдущие рекорды для длительных разрядов, установленные на таких известных токамаках, как японский JT60U и британский JET. Хотя эти установки достигали более высоких пиковых значений в коротких импульсах, способность Wendelstein 7-X поддерживать высокие показатели в течение длительного времени знаменует собой качественный скачок в технологии магнитного удержания плазмы. Это особенно важно для практического производства энергии, где стабильные и продолжительные разряды являются ключевым условием экономической эффективности.

Новый рекорд стал возможен благодаря использованию передового инжектора водородных гранул, разработанного Окриджской национальной лабораторией (ORNL) в США. Устройство впрыснуло в плазму около 90 замороженных гранул водорода размером около миллиметра каждая в течение 43-секундного разряда. Одновременно плазма нагревалась мощными микроволновыми лучами с помощью метода электронного циклотронного резонансного нагрева. Точная координация между подачей топлива и нагревом позволила исследователям поддерживать идеальный баланс. Впервые инжектор гранул работал с заранее запрограммированной переменной скоростью подачи, что является методом, напрямую применимым при проектировании будущих термоядерных реакторов.

Помимо рекорда тройного произведения, в ходе кампании были достигнуты и другие важные результаты. Wendelstein 7-X увеличил общий энергетический оборот до 1,8 гигаджоуля во время 360-секундного плазменного разряда, превысив свой предыдущий рекорд в 1,3 гигаджоуля. Такой уровень устойчивого подвода энергии и отвода тепла максимально приближен к требованиям, предъявляемым к работающему термоядерному реактору. В другой серии экспериментов ученые достигли соотношения давления плазмы к давлению магнитного поля в 3%. Намеренно снижая магнитное поле, чтобы позволить давлению плазмы возрасти, они зафиксировали температуру ионов около 40 миллионов градусов Цельсия. Этот показатель приближается к диапазону 4–5%, необходимому для коммерческого производства термоядерной энергии.

Успех на Wendelstein 7-X стал результатом широкого международного сотрудничества. Европейские лаборатории обеспечили критически важную основу: испанский центр CIEMAT предоставил модели для симуляций, а венгерский центр HUN-REN развернул сверхскоростные камеры для анализа поведения гранул. Система микроволнового нагрева была разработана с участием Технологического института Карлсруэ и Штутгартского университета. Диагностика плазмы проводилась с помощью инструментов, предоставленных Принстонской лабораторией физики плазмы и IPP Greifswald, которые измеряли температуру, превышающую 30 миллионов градусов Цельсия. Это партнерство объединило передовые технологии и ведущих ученых, демонстрируя ценность глобальной кооперации в решении одной из величайших задач современной науки.

Благодаря последним достижениям Wendelstein 7-X не только подтверждает теоретические прогнозы, но и доказывает возможности стелларатора в реальных экспериментальных условиях. По мере того как исследования в области термоядерного синтеза по всему миру активизируются, этот стелларатор становится лидером в критически важной области — длительной работе с высокопроизводительной плазмой. Расширяя границы возможного в термоядерной энергетике, Wendelstein 7-X приближает человечество к долгожданной цели создания безопасной, чистой и устойчивой энергии будущего.