Чем вообще они там заняты, эти физики?
Пресс-релиз команды корейского токамака KSTAR по итогам работы в 2015 году позволяет неплохо проиллюстрировать, чем же сейчас заняты ученые, работающие с токамаками. Мне кажется странной ситуация, когда даже на англоязычных источниках физики не утруждают себя разжевыванием проблематики и стратегии развития этого направления, из-за чего складывается ощущение, что прогресса термоядерной энергетики нет и не будет, как минимум до 2025 года, когда должен быть достроен ИТЭР.
На самом деле это не так. Создание термоядерного реактора для энергетики можно условно разделить на несколько задач, и хотя самые большие из них будут закрываться ИТЭРом (превращение электрофизической установки в ядерную и инженерия термоядерного реактора) и IFMIF/EVEDA (новые стойкие материалы для ТЯЭС), существует несколько насущных вопросов физики плазмы, которые можно и нужно решать на существующих установках. Часть из них успешно исследуются на одном из самых современных токамаков мира - KSTAR.
криостат KSTAR (токамак внутри) и обвязка.
Эта полностью сверхпроводящая машина была введена в строй в 2008 году, имеет диаметр вакуумной камеры 3,6 метра и магнитное поле в центре плазменного шнура в 3,5Т. KSTAR сравним с крупнейшими действующими в разных странах токамаками мира - D-IIID (США), ASDEX-U (Германия), EAST (Китай) и лебединой песней СССР - T-15, уступая только французкому Tore Supra, японскому JT-60 (оба сейчас проходят апгрейд) и общеевропейскому JET.
Установка основания нового ИТЭР-подобного дивертора в Tore Supra в декабре 2015
В 2015 году во время закончившегося 8 кампании KSTAR многое сделал для исследования H-моды и поддержания неиндуктивного горения. H-мода - это такой режим существования плазмы, когда теплопотери из нее резко снижаются, а температура в центре нарастает. H-мода является необходимой для получения высоких энерговыходов от термоядерного горения в токамаках. Однако H-мода обладает неприятными ELM нестабильностями, с которыми надо уметь бороться для того, что бы термоядерный реактор смог постоянно ее поддерживать. В 2015 году на KSTARудалось удерживать плазму температурой 40 млн. градусов в H-моде в течении 55 секунд, что является мировым рекордом, и фактически снимает вопрос долговременного поддержания H-моды в будущих энергоустановках. Кстати, в ИТЭР планируется работа практически исключительно в режиме H-моды длительностью от 400 до 1000 секунд.
Во время сборки - слева криостат, в центре - вакуумная камера, справа - сверхпроводящие полоидальные катушки.
Второе очень важное достижение по физике плазмы - это 12 секунд неиндуктивного режима поддержания тока. Проблема тут в том, что классический токамак создает кольцевой ток в плазме (а этот ток - необходимый элемент удержания плазмы в магнитной ловушке) путем изменения поля в центральном соленоиде (ЦС). Перезарядка соленоида, очевидно, возможна только от максимально положительного значения тока до максимально отрицательного. Как только ЦС достигает максимально отрицательного тока , плазма в реакторе гаснет. Такой режим поддержания тока плазмы называется индуктивным, и много лет усилия разработчиков токамаков направлены на создание альтернативных механизмов поддержания тока (называемых не-индуктивными). Обычно поддержание тока возлагается на те же машины, что занимаются нагревом плазмы - ионный и электронный циклотронный радиочастотный нагрев и инжекция быстрых нейтралов.
Click to viewРолик, бодро рассказывающий о сборке KSTAR.
Однако до сегодняшнего дня на больших токамаках неиндуктивный режим работы поддерживался весьма недолго, доли секунды. Поэтому 12 секунд тут важный шаг на пути создания постоянно работающих (а не импульсных) токамаков - в пику стеллараторам. Напомню, что ИТЭР в первоначальной конфигурации не будет способен на полностью неиндуктивный режим, а только на режим с током, создаваемым на 60% с помощью внешних генераторов.
Возможности различных токамаков по удержанию плазмы в координатах Плотность * время удержание против температуры.
Я уже рассказывал про токамак ARC, предложенный плазменной лабораторией MIT, который собрал все эти (и многие другие) прогрессивные идеи - в том числе поддержание тока только радиочастотными средствами (для исключения дорогостоящих и сложных NBI из установки). В свете достижений KSTAR идеи, заложенные в перспективные машины становятся реальнее, как и облик возможной термоядерной энергетики.