Китайський токамак досяг стану, в якому немає обмежень на густину плазми.

Китайські вчені вперше підтвердили наявність режиму, в якому термоядерна плазма може залишатися стабільною при густині, що значно перевищує звичні межі.

Науковці, які працюють із повністю надпровідним експериментальним токамаком EAST у Китаї, досягли давно очікуваного стану, що називається режимом без обмежень густини. У цьому режимі термоядерна плазма залишається стабільною при щільності, яка значно перевищує звичні межі. Це досягнення є важливим кроком у вирішенні однієї з найскладніших фізичних задач у сфері термоядерної енергетики. Результати дослідження були опубліковані в журналі Science Advances 1 січня 2025 року.

Дослідження проводили професор Пін Чжу з Хуачжунського університету науки і технологій та доцент Нін Янь з Хефейських інститутів фізичних наук, що входять до складу Китайської академії наук. Завдяки новаторському підходу до роботи з високою густиною на токамаку EAST, команда змогла продемонструвати, що густота плазми може бути підвищена значно вище традиційно визнаних емпіричних меж, при цьому уникнувши виникнення сильних нестабільностей, які зазвичай призводять до зупинки експериментів на токамаках.

Термоядерний синтез розглядається як перспективне джерело чистої та стабільної енергії. Для здійснення синтезу дейтерію та тритію необхідно нагрівати паливо до приблизно 13 кілоелектронвольт, що відповідає приблизно 150 мільйонам кельвінів, аби забезпечити оптимальні умови для реакцій. У таких екстремальних температурах потужність термоядерного синтезу зростає пропорційно квадрату щільності плазми. Проте, протягом десятиліть дослідження з токамаками стикалися з верхньою межею цієї щільності. Перевищення цієї межі зазвичай призводить до зривів, які порушують утримання плазми та загрожують стабільності обладнання, що ускладнює досягнення більшої ефективності синтезу.

Сучасна теоретична модель, відома як самоорганізація плазми та стінок, пропонує новий підхід до розуміння цих обмежень. Цю концепцію вперше висунули Домінік Франк Есканд та його команда з Французького національного центру наукових досліджень та Університету Екс-Марсель. Відповідно до цієї теорії, режим, в якому не існує обмеження густини, стає можливим, коли плазма і металеві стінки реактора досягають тонкого балансу, зокрема в системах, де фізичне розпилення є домінуючим фактором у взаємодії між плазмою та стінкою.

Експерименти на токамаку EAST надали перше експериментальне підтвердження цієї ідеї. Дослідники ретельно контролювали початковий тиск газу палива та застосовували електронно-циклотронний резонансний нагрів під час фази запуску кожного розряду плазми. Цей контроль на ранній стадії допоміг оптимізувати взаємодію плазми зі стінкою з самого початку. В результаті накопичення домішок та втрати енергії були значно зменшені, що дозволило густині плазми стабільно зростати до кінця фази запуску. За цих умов токамак EAST успішно увійшов у передбачений теорією самоорганізації плазми та стінки режим без обмеження густини, де стабільна робота підтримувалася навіть при густині, що значно перевищує звичайні межі.

Ці відкриття відкривають нові перспективи в подоланні традиційного бар'єру густини в роботі токамаків, що є важливим кроком до досягнення термоядерного запалювання. Професор Чжу підкреслив, що результати цього дослідження пропонують реальний та масштабований підхід для розширення меж густини в токамаках, а також в пристроях термоядерного синтезу наступного покоління з активною плазмою.

Доцент Янь зазначив, що їхня команда має намір використати аналогічний підхід під час експериментів на токамаку EAST у найближчий час, аби досягти режиму без обмежень густини при ще більших значеннях плазми. Це може стати новим кроком у розробці ефективних термоядерних реакторів, які зможуть генерувати чисту енергію на промисловому рівні.

Токамак EAST, розташований у місті Хефей, є одним з найбільш передових експериментальних пристроїв для дослідження термоядерного синтезу у світі. Його повністю надпровідна конструкція дозволяє підтримувати магнітне поле протягом тривалого часу, що є критично важливим для досягнення стабільних умов для термоядерних реакцій. Нові результати демонструють, що правильний підхід до контролю початкових умов та взаємодії плазми зі стінками може суттєво розширити операційні можливості таких пристроїв.