После успешного повторного ввода в эксплуатацию осенью 2022 г. стеллараторная установка термоядерного синтеза Wendelstein 7-X в немецком Институте физики плазмы Макса Планка (IPP) добилась значительного успеха. В 2023 г. был намечен оборот энергии в 1 ГДж, но уже сейчас исследователям удалось достичь 1,3 ГДж. Кроме того, установлен новый рекорд по времени затухания реакции при сохранении плазмы горячей в течение восьми минут.
Wendelstein 7-X – крупнейший в мире термоядерный стелларатор. Его целью является исследование пригодности таких объектов для производства электроэнергии. Стеллараторы отличаются от термоядерных реакторов токамаков, таких как Объединенный европейский токамак (JET) в Великобритании или ITER, строящийся во Франции.В то время как за основу токамака взята однородная тороидальная форма, в стеллараторе эта форма скручена в виде восьмерки. Это позволяет избежать проблем, с которыми сталкиваются токамаки, когда магнитные катушки, удерживающие плазму, становятся менее плотными на внешней стороне тороидального кольца.
Основная сборка установки Wendelstein 7-X была завершена в 2014 г., а первая плазма была произведена в декабре 2015 г. В конце 2018 г. эксперименты были временно прекращены после двух успешных этапов работ. Затем началась модернизация корпуса устройства получения плазмы. В ходе трехлетних ремонтных работ установка Wendelstein 7-X была оснащена в первую очередь водяным охлаждением элементов стенки и модернизированной системой нагрева.
Теперь система нагрева может выдавать в плазму в два раза больше энергии, чем раньше,и эксперименты с термоядерным синтезом можно проводить в новых диапазонах параметров. «Сейчас мы изучаем возможности достижения более высоких показателей энергии, – пояснил профессор доктор Томас Клингер, руководитель отдела по процессам переноса и динамики в стеллараторе института IPP. – При этом мы должны продвигаться постепенно, чтобы не перегрузить и не повредить установку».
В настоящее время исследователи достигли нового значимого события: впервые они смогли достичь энергооборота в 1,3 ГДж – значения, в 17 раз превышающего наилучшее значение, достигнутое до модернизации (75 МДж). В результате оборот энергии будет равен удвоенному значению тепловой мощности, умноженному на длительность разряда.
Инфракрасные изображения из вакуумной камеры Wendelstein 7-X показывают не саму плазму, а распределение температуры на водоохлаждаемых перегородках дивертора. Перегородки дивертора используются для рассеивания тепла от плазмы. При этом четко прослеживается определенная линия в центре, так называемая линия удара. Это место, где плазма соприкасается с дивертором, и температура имеет самые высокие значения.На отдельных участках регистрировалась температура до 600 °C (красные области). Диверторные плитки способны выдерживать температуру до 1 200 °C.
Для отвода наибольших тепловых потоков используются особо термостойкие диверторные перегородки. Они являются частью внутренней стенки, которая теперь охлаждается системой из 6,8 км водопроводных труб, установленных на завершающей стадии модернизации.В настоящее время ни одна другая установка термоядерного синтеза в мире не имеет такой полностью охлаждаемой внутренней стенки. Нагрев плазмы происходит благодаря работе трех компонентов: впервые установленного устройства нагрева ионов, нагрева путем впрыска нейтральных частиц и системы микроволнового нагрева электронов.
В настоящее время система микроволнового нагрева электронов имеет особое значение, поскольку она достигает больших значений по мощности в течение нескольких минут. Энергооборота в 1,3 ГДж удалось достичь при средней мощности нагрева 2,7 МВт, при этом разряд длился 480 с. Это также новый рекорд для Wendelstein 7-X и один из наилучших показателей во всем мире. До модернизации установка Wendelstein 7-X достигала максимального показателя по времени плазмы в 100 с при значительно меньшей мощности нагрева. В течение нескольких лет планируется увеличить оборот энергии до 18 ГДж, при этом плазма будет удерживаться стабильной в течение получаса.