Учёные, работающие на полностью сверхпроводящем экспериментальном токамаке EAST в Китае, совершили прорыв, достигнув теоретически предсказанного "режима, свободного от ограничений по плотности". В этом состоянии плазма — раскалённая ионизированная среда, где происходит синтез — остаётся стабильной даже при плотностях, далеко выходящих за рамки ранее считавшихся непреодолимыми эмпирических пределов, таких как предел Гринвальда. Этот эмпирический барьер долгое время считался фундаментальным, поскольку его превышение в экспериментах обычно приводило к резкой потере энергии плазмы и срывам из-за развития магнитно-гидродинамических нестабильностей. Новое открытие, опубликованное в журнале Science Advances, проливает свет на то, как можно преодолеть одно из самых упорных физических препятствий на пути к управляемому термоядерному синтезу.
Плотность плазмы имеет решающее значение для будущей термоядерной энергетики, поскольку мощность реакции синтеза растёт пропорционально квадрату плотности. Однако десятилетия экспериментов на токамаках — тороидальных установках для удержания плазмы — показывали, что существует жёсткий верхний предел. При его превышении плазма становится нестабильной, что угрожает целостности самой установки. Этот барьер долгое время сдерживал прогресс в повышении эффективности термоядерных реакций.
Новое открытие бросает вызов старым представлениям и подтверждает современную теоретическую концепцию, известную как "самоорганизация плазмы и стенки" (PWSO). Согласно этой теории, предложенной французскими исследователями, предел по плотности не является абсолютным. Он может быть преодолён, если достигнут тщательный баланс во взаимодействии между плазмой и металлическими стенками реактора. В этом сбалансированном состоянии именно физическое распыление материала стенок начинает доминировать в поведении плазмы, позволяя ей стабилизироваться при гораздо более высоких плотностях. Помимо PWSO, существуют и другие теоретические концепции, предлагающие пути к преодолению плотностного барьера. К ним относятся H-режим с высоким уровнем удержания, режим с внутренним транспортным барьером для снижения турбулентности, гибридный режим, сочетающий особенности нескольких режимов, а также режимы с высоким значением β, позволяющие увеличить плотность при сохранении устойчивости.
Эксперимент на EAST впервые предоставил прямое экспериментальное подтверждение теории PWSO. Исследователи разработали новый подход к запуску плазмы, тщательно контролируя начальное давление топливного газа и применяя нагрев на электронном циклотронном резонансе. Эта стратегия с самого начала оптимизировала взаимодействие "плазма-стенка", что резко снизило накопление примесей и потери энергии. В результате плотность плазмы смогла неуклонно расти, и установка успешно вошла в предсказанный PWSO "режим свободной плотности", сохраняя стабильность на рекордных уровнях.
Это достижение открывает новый практический путь к преодолению плотностного барьера не только в современных токамаках, но и в реакторах следующего поколения, предназначенных для достижения "зажигания" — самоподдерживающейся термоядерной реакции. Как отмечают руководители исследования, следующий шаг — попытаться достичь этого режима в условиях высокопроизводительной плазмы, что станет важным этапом на пути к созданию практически неиссякаемого и чистого источника энергии.
Источник: China’s “artificial sun” just broke a fusion limit scientists thought was unbreakable