Ядерный синтез разогревается

 Наблюдение саморазогрева в удерживаемой магнитным полем плазме представляет собой веху на пути к термоядерным реакторам на основе такой плазмы.

Рисунок 1: Киптили и его коллеги [3] наблюдали реакции синтеза в сосуде в форме пончика, называемом токамак (серый). Красный, синий и розовый шары представляют протоны, нейтроны и электроны соответственно. В каждой реакции синтеза ядро дейтерия (один протон плюс один нейтрон) сливается с ядром трития (один протон плюс два нейтрона) с образованием свободного нейтрона и альфа-частицы (два протона плюс два нейтрона). Свободный нейтрон вышел из токамака, тогда как альфа-частица осталась внутри сосуда и нагрела электроны, которые вращались по спирали вдоль силовых линий магнитного поля (зеленые). (Фото: physics.aps.org)

Термоядерный реактор будет генерировать электричество, используя энергию, высвобождаемую в результате термоядерных реакций, происходящих в плазме. Ключевым шагом на пути к реализации мечты о таком реакторе является создание горящей плазмы, в которой сами реакции синтеза обеспечивают большую часть нагрева, необходимого для поддержания температуры плазмы, соответствующей термоядерному синтезу. Этот шаг недавно был продемонстрирован для инерционно-удерживаемой плазмы [1, 2] (см. «Новости исследований: зажигание сначала в реакции синтеза»), но до сих пор оставался неуловимым для магнитно-удерживаемой плазмы. Эта цель теперь может быть достигнута благодаря прямым доказательствам нагрева электронов в магнитно-удерживаемой плазме, вызванным термоядерным синтезом, полученным Василием Киптили и его коллегами на британской установке Joint European Torus (JET) [3].

Синтез двух тяжелых изотопов водорода — дейтерия (D) и трития (T) — представляет собой наиболее многообещающий путь к созданию термоядерного реактора как из-за относительной простоты синтеза этих изотопов, так и из-за большого количества энергии, выделяемой при этом. каждой реакции. Когда D и T сливаются, генерируются альфа-частица (ядро гелия-4) и нейтрон, несущие высвободившуюся энергию в виде кинетической энергии. Цель достижения производства энергии в результате управляемого синтеза на Земле зависит от созданных альфа-частиц, остающихся в плазме, и нагревания термоядерного топлива для поддержания реакции, в то время как кинетическая энергия нейтронов, вылетающих из плазмы, преобразуется в электрическую энергию.

В термоядерном синтезе с инерционным удержанием лазеры сжимают крошечную таблетку DT-топлива до высокой плотности и температуры, полагаясь на инерцию собранного материала, чтобы удерживать его вместе достаточно долго, чтобы термоядерные реакции распространялись через топливо. Реактор, основанный на этом подходе, должен был бы работать в импульсном режиме, при этом термоядерные имплозии повторялись бы несколько раз в секунду. Термоядерный синтез с магнитным удержанием, напротив, основан на устойчивом сдерживании горячей термоядерной плазмы за счет того, что ионы и электроны плазмы закручиваются вдоль силовых линий магнитного поля — чаще всего в сосуде в форме пончика, называемом токамак. Токамак широко рассматривается в качестве ведущего кандидата на роль термоядерного реактора, в настоящее время строятся крупные токамаки, включая многолетний проект международного сотрудничества ITER [4] и недавно задуманный и активно финансируемый из частных источников SPARC [5]. Демонстрация физики самонагрева и горящей плазмы в токамаке является ключевой целью исследователей термоядерного синтеза.

Первые попытки реализации самонагрева токамака были предприняты на реакторе Tokamak Fusion Test Reactor [6] и на токамаке JET [7], когда эти два устройства впервые работали на DT-топливе в 1990-х годах. Однако успех этих ранних экспериментов был поставлен под сомнение [8], что сделало менее двусмысленную демонстрацию альфа-нагрева (нагрев плазмы, вызванный альфа-частицами) основной целью кампании DT 2021 года в JET. Новые результаты Киптили и его коллег показывают, что эта цель была достигнута (рис. 1).

Исследователи управляли токамаком JET с использованием DT-плазмы или аналогичной D-плазмы и применяли внешний нагрев в виде вводимого пучка нейтральных частиц. Затем они сравнили две плазмы в период сразу после отключения этого нагрева. Они обнаружили, что температура электронов уменьшалась в D-плазме, но продолжала расти в DT-плазме. Это повышение температуры электронов без внешнего нагрева представляет собой первое прямое наблюдение альфа-нагрева в удерживаемой магнитным полем плазме. Сравнение идентичной в остальном D- и DT-плазмы является сильной стороной этой работы. Хотя продукты синтеза, образующиеся в D-плазме, в принципе могли бы также нагревать топливо, любой такой эффект был бы незначительным, поскольку скорость реакции синтеза на 2 порядка ниже, чем в DT-эквиваленте.

Киптили и его коллеги приписывают наблюдаемый скачок нагрева электронов саморазогреву, потому что альфа-частицы передавали свою энергию в первую очередь электронам, а не ионам, тогда как инжекция нейтрального луча привела бы к непосредственному нагреву ионов. Причина в том, что существует критическая энергия для частиц, вызывающих нагрев, ниже которой скорость передачи энергии ионам превышает скорость передачи энергии электронам, а выше которой происходит обратное [9]. Нейтральные лучи инжектировались ниже этой критической энергии, тогда как альфа-частицы рождались намного выше этой энергии. Учитывая измеренные условия плазмы, удерживаемые альфа-частицы также должны были оставаться выше этой критической энергии в течение всего времени наблюдений.

В то время как настоящая работа касается нагрева электронов, в конечном счете, управляемый синтез основан на саморазогреве ионов топлива. Киптили и его коллеги не представили результаты измерений ионной температуры, но их моделирование предполагает, что альфа-нагрев ионов в их экспериментах был незначительным. JET планируется закрыть в конце от 2023 года. Хотя прямая демонстрация нагрева электронов обеспечивает первый шаг к горящей плазме, удерживаемой магнитом, следующие шаги будут предприняты на будущих устройствах, включая вышеупомянутые ИТЭР и СПАРК.

В экспериментальном плане физика горящей плазмы остается в основном неисследованной областью. Один вопрос касается детальной динамики, лежащей в основе альфа-нагрева ионов. Альфа-частицы, как обсуждалось, будут передавать энергию в первую очередь электронам. Однако в предыдущей работе сообщалось об альфа-каналировании — обмене энергией альфа-частиц и ионов, опосредованном плазменными волнами, — и о предсказаниях взаимодействия с магнитогидродинамическими волнами и турбулентностью, которые могут привести к усилению нагрева ионов. Другой вопрос, связанный с термоядерным синтезом с магнитным удержанием, заключается в том, как использование только альфа-нагрева повлияет на способность регулировать плазму. В настоящее время управление тепловой нагрузкой и ростом неустойчивости осуществляется включением и выключением внешнего нагрева, но для саморазогревающейся плазмы такое управление будет недоступно. Эти и другие вопросы станут ключевыми темами исследований токамаков, строящихся в настоящее время.

Горящая плазма, недавно полученная в результате термоядерного синтеза с инерционным удержанием, преподнесла, по крайней мере, один большой сюрприз: очевидное свидетельство неожиданного (надтеплового) распределения ионов по скоростям [10]. Физика горящей плазмы — это область пересечения термоядерного синтеза с инерционным и магнитным удержанием, где исследователи, работающие над двумя концепциями, могут учиться на результатах друг друга, поскольку каждый из них расширяет границы к будущему коммерческому термоядерному реактору.

Рекомендации

А. Б. Зилстра и др., «Горящая плазма, полученная в результате инерционного синтеза», Nature 601 (2022).

Х. Абу-Шавареб и др., «Критерий Лоусона для воспламенения превышен в эксперименте по инерционному синтезу», Phys. Преподобный Летт. 129 (2022).

Киптили В.Г. и др., "Доказательства нагрева электронов альфа-частицами в дейтерие-тритиевой плазме JET", Phys. Преподобный Летт. 131, 075101 (2023).

К. Икеда, "Прогресс в физических основах ИТЭР", Nucl. Фьюжн 47 (2007).

П. Родригес-Фернандес и др., «Обзор физических основ SPARC для исследования режимов горящей плазмы в сильнопольных компактных токамаках», Nucl. Фьюжн 62 (2022).

Г. Тейлор и др., «Термоядерный нагрев в дейтериево-тритиевой плазме токамака», Phys. Преподобный Летт. 76 (1996).

П. Р. Томас и др., «Наблюдение за альфа-нагревом в плазме JET DT», Phys. Преподобный Летт. 80 (1998).

Будный Р.В. Альфа-нагрев и изотопные масс-эффекты в плазме JET с пилой // Nucl. Фьюжн 56 (2016).

Т. Х. Стикс, «Нагрев тороидальной плазмы путем нейтральной инжекции», Plasma Phys. 14 (1972).

Е. П. Хартуни и др., «Доказательства сверхтеплового распределения ионов в горящей плазме», Нац. физ. 19 (2022).

Об авторе

Образ Марии Гату Джонсон

Мария Гату Джонсон — ведущий научный сотрудник Центра плазменных исследований и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института (MIT). В 2010 году она получила докторскую степень в Университете Упсалы, Швеция, работая над нейтронной спектрометрией для токамака JET. Ее текущие исследования сосредоточены на термоядерном синтезе с инерционным удержанием (ICF) в Национальном центре зажигания и лазерной установке OMEGA, где она участвовала в недавних экспериментах ICF с горящей плазмой. Ее работа включает в себя использование платформы ICF для ядерных экспериментов, связанных со звездным нуклеосинтезом, и управление ускорительной лабораторией Массачусетского технологического института, используемой для разработки ядерной диагностики для экспериментов на платформе ICF.

Источник