Китайский токамак EAST преодолел предел плотности плазмы

Исследователи, работающие на полностью сверхпроводящем экспериментальном усовершенствованном сверхпроводящем токамаке (EAST) в Китае, экспериментально достигли теоретического «режима, свободного от ограничений по плотности» для термоядерной плазмы, добившись стабильной работы при плотностях, значительно превышающих обычные пределы.

Схематическая иллюстрация работы токамака EAST при омическом запуске с помощью ЭЦР-нагрева. Автор: Янь Нин

Результаты, опубликованные в журнале Science Advances, дают новое понимание того, как преодолеть одно из самых стойких физических препятствий на пути к зажиганию термоядерной реакции.

Исследованием совместно руководили профессор Чжу Пин из Хуачжунского университета науки и технологий и доцент Янь Нин из Хэфэйских институтов физических наук Китайской академии наук. Реализовав новую схему работы с высокой плотностью на EAST, команда продемонстрировала, что плотность плазмы, долгое время ограниченная эмпирическими пределами в работе токамаков, может быть существенно увеличена без провоцирования разрушительных нестабильностей.

Термоядерный синтез широко рассматривается как многообещающий источник чистой и устойчивой энергии. Для реакций дейтерий-тритиевого синтеза плазму необходимо нагреть до оптимальной температуры около 13 кэВ (150 миллионов кельвинов). В этих условиях термоядерная мощность масштабируется с квадратом плотности топлива.

«Результаты предполагают практический и масштабируемый путь для расширения пределов плотности в токамаках и термоядерных устройствах следующего поколения с горящей плазмой», — заявил профессор Чжу.

Однако при обычной работе токамака плотность плазмы долгое время была ограничена эмпирическим верхним пределом. Превышение этого предела часто приводит к нестабильностям, которые нарушают удержание плазмы и угрожают работе установки, создавая серьёзную проблему для повышения эффективности синтеза.

Недавняя разработка теории самоорганизации плазмы и стенки (PWSO) дала новую перспективу для понимания разрушительного предела по плотности. Теория PWSO была первоначально предложена D.F. Escande и др. из Французского национального центра научных исследований и Университета Экс-Марсель. Теория предсказывает, что новый режим, свободный от ограничений по плотности, может быть достигнут за счёт достижения тонкого баланса между плазмой и металлическими стенками устройства, на которые доминирующее влияние оказывает физическое распыление.

Схематическое сравнение экспериментальных результатов на EAST с предсказанием теории самоорганизации плазмы и стенки. Автор: Янь Нин

Физическая концепция режима, свободного от плотности, была впервые подтверждена на EAST в этой работе. Эксперименты на EAST сочетают контроль начального давления топливного газа с электронно-циклотронным резонансным нагревом (ЭЦР-нагревом) на фазе запуска, что позволяет эффективно оптимизировать взаимодействие плазмы со стенками с самого начала разряда.

С помощью этого подхода взаимодействие плазмы со стенками, накопление примесей и потери энергии значительно снижаются. К концу фазы запуска плазма в итоге достигает достаточно высокой плотности. Исследователям удалось войти в теоретический режим PWSO, свободный от плотности, в котором плазма может оставаться стабильной даже при работе с плотностями, далеко превышающими эмпирические пределы.

Эти экспериментальные достижения дают новое физическое понимание для прорыва давнего предела плотности в работе токамаков в погоне за термоядерным зажиганием.

Доцент Янь Нин добавил, что исследовательская группа планирует в ближайшем будущем применить новый метод во время работы EAST в режиме высокого удержания, чтобы попытаться достичь режима, свободного от плотности, в условиях высокопроизводительной плазмы.

Больше информации: Jiaxing Liu et al, Accessing the density-free regime with ECRH-assisted Ohmic start-up on EAST, Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.adz3040. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz3040

Источник: Chinese Academy of Sciences