Пробив в термоядрения синтез - надхвърлена е границата на плътност на плазмата

Ваня Милева Последна промяна на 05 January 2026 в 00:00 10152 0

Схематична илюстрация на работата на токамака EAST по време на омично стартиране с помощта на ECRH.

Кредит Yan Ning
Схематична илюстрация на работата на токамака EAST по време на омично стартиране с помощта на ECRH.

Изследователи, работещи по изцяло свръхпроводящото китайско съоръжение за ядрен синтез EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) са постигнали експериментален достъп до теоретичен "режим без плътност" за термоядрена плазма, постигайки стабилна работа при плътности, далеч надхвърлящи конвенционалните граници.

Резултатите, публикувани в Science Advances, предоставят нови прозрения за преодоляване на една от най-упоритите физически пречки по пътя към "запалване" на ядрения синтез, при което енергията, получена от сливането на атомни ядра, надвишава тази, необходима за стартиране на синтеза.

Изследването е ръководено съвместно от проф. Джу Пин (Zhu Ping) от Университета за наука и технологии Хуаджун и доц. Йен Нин (Yan Ning) от Института по физически науки Хефей към Китайската академия на науките. Чрез реализирането на нова схема за работа с висока плътност на EAST, екипът демонстрира, че плътността на плазмата, дълго време ограничена от емпирични ограничения при работата на токамака, може да бъде значително разширена, без да се предизвикват разрушителни нестабилности.

Ядреният синтез се смята за обещаващ източник на чиста и устойчива енергия. За реакциите на синтез на деутерий-тритий, плазмата трябва да се нагрее до оптимална температура от около 13 keV (150 милиона келвина). При тези условия термоядрената енергия се увеличава пропорционално на квадрата на плътността на горивото.

Но при конвенционалната работа на токамака, плътността на плазмата отдавна е ограничена от емпирична горна граница. Превишаването на тази граница често води до нестабилност, която нарушава задържането на плазмата и застрашава работата на токамака, което представлява сериозно предизвикателство за подобряване на производителността на термоядрения синтез.

Неотдавнашното усъвършенстване на теорията за самоорганизацията на системата плазма-стена (PWSO - plasma–wall self organization) предоставя нова перспектива за разбиране на границата на разрушителната плътност. PWSO първоначално е предложена от учени от Френския национален център за научни изследвания и университета в Екс-Марсилия. Теорията предсказва, че може да се постигне нов режим без плътност чрез постигане на деликатен баланс между плазмата и металните стени на съоръжението, които са доминирани от физическо разпрашване.

Самоорганизация на системата плазма-стена (PWSO)

По същество, PWSO описва как една отворена, сложна система (турбулентната плазма и твърдофазната/течна стена, с която тя взаимодейства) минимизира свободната си енергия, образувайки самосъгласувани, стабилни структури.

Примесите от стената (разпрашени от плазмата) навлизат в плазмата и излъчват енергия. Това лъчение влияе върху температурата на плазмата близо до стената, което от своя страна променя количеството на произведените примеси.

Ключов елемент е закъснението във времето в тази обратна връзка, което включва времето на полет на атомите, времето за йонизацията и излъчването им, както и времената за дифузия на топлината. Това закъснение прави поведението на системата динамично и може да доведе до нестабилност и спонтанно възникване на сложни модели.

Вместо плазмата да се държи хаотично, този процес позволява глобален ред (като специфичен, универсален профил на налягане) да се появи от локални, турбулентни взаимодействия без външен контрол.

Разбирането на PWSO е от решаващо значение за проектирането на бъдещи термоядрени реактори като ITER и DEMO, защото помага да се определят оперативните граници и стабилността на плазмата. PWSO помага да се обясни емпиричната "граница на плътността на Грийнвалд" в токамаците, която е горна граница за това колко плътна може да стане плазмата, преди да се разруши.

Схематично сравнение на експерименталните резултати от EAST с предсказанието на теорията за самоорганизация на плазма-стена. Кредит: Yan Ning

Физическата концепция за режим без плътност е проверена за първи път на EAST в тази работа. EAST експериментите комбинират контрол на началното налягане на горивния газ с нагряване чрез електронен циклотронен резонанс по време на фазата на стартиране, което позволява ефективна оптимизация на взаимодействията плазма-стена от самото начало на разряда.

Чрез този подход взаимодействията между плазмата и стената, натрупването на примеси и загубите на енергия са значително намалени. Плазмата в крайна сметка се довежда до достатъчно висока плътност в края на стартирането. Изследователите успешно са достигнали теоретичния режим без плътност на PWSO, при който плазмата може да остане стабилна дори при работа с плътности, далеч надвишаващи емпиричните граници.

Тези експериментални постижения предоставят нови физически прозрения за преминаване през дългогодишната граница на плътността при работа на токамак в преследване на "запалване" при термоядрен синтез.

"Констатациите предполагат практичен и мащабируем път за разширяване на границите на плътност в токамаци и устройства за синтез с горяща плазма от следващо поколение", заявява проф. Джу.

Доц. Йен добавя, че изследователският екип планира да приложи новия метод по време на работа с високо ограничение на EAST в близко бъдеще, в опит да достигне режим без плътност при условия на високоефективна плазма.

Справка: 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

Източник: Tokamak experiments exceed plasma density limit, offering new approach to fusion ignition, Chinese Academy of Sciences

Термоядреният синтез

На ядрения синтез се гледа като на потенциално неограничен източник на чиста енергия, създаван от същите процеси в ядрото на Слънцето. При използване на интензивна топлина, магнитни полета и налягане ядрата на по-леките елементи се сливат, за да се създадат по-тежки елементи, като при това се освобождава енергия. Като задържат този подобен на звездния процес в специално проектирани реактори, инженерите могат да слеят водородни атоми, за да произведат хелий, използвайки произведената чиста енергия и потенциално намалят зависимостта от изкопаеми горива. За да се осъществи реакцията, свръхнагрятият газ - в състояние на плазма - се подлага на налягане, което по същество притиска атомите един към друг и ги принуждава да реагират.

Как работи токамакът?

Електрическо поле, създадено от трансформатор, задвижва ток (големите червени стрелки) през плазмената колона. В резултат на това се образува полоидално магнитно поле, което компресира плазмения поток по такъв начин, че той придобива формата на кръг в разрез (зелените вертикални кръгове). Във вътрешността на корпуса с формата на поничка се създава вакуум, а компресираната по този начин колона предотвратява дезинтеграцията. Другото магнитно поле, което протича по цялото тяло, се нарича тороидално (зелените хоризонтални линии). Комбинацията от тези две полета създава спираловидна триизмерна крива (показана в черно), която може да поддържа плазмата.

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !