Китайский термоядерный реактор EAST преодолел предел Гринвальда — на шаг ближе к почти безграничной чистой энергии

Китайский термоядерный реактор EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak), получивший прозвище «искусственное солнце», успешно поддерживал стабильность плазмы при экстремальных плотностях. Сообщается о преодолении важного рубежа в термоядерном синтезе, называемого пределом Гринвальда, после которого плазма обычно становится нестабильной. Этот прорыв потенциально приближает человечество к обладанию почти безграничной чистой энергией.

Согласно заявлению Китайской академии наук, экспериментальный сверхпроводящий токамак EAST поддерживал стабильность плазмы — высокоэнергетического четвёртого состояния материи — при экстремальных плотностях, что ранее считалось серьёзным препятствием на пути развития термоядерного синтеза. «Полученные результаты указывают на практичный и масштабируемый путь расширения пределов плотности в токамаках и термоядерных установках следующего поколения», — заявил профессор Китайского университета науки и технологий Пин Чжу (Ping Zhu).

Ядерный синтез открывает потенциал для практически безграничного производства чистой энергии. Однако технология ядерного синтеза разрабатывается уже более 70 лет и до сих пор остаётся уделом экспериментаторов, поскольку существующие реакторы, как правило, потребляют больше энергии, чем могут произвести.

Китайский реактор EAST — это магнитно-удерживающий реактор, или токамак, предназначенный для поддержания стабильности плазмы в течение длительных периодов времени. Реакторы-токамаки пока не достигли самоподдерживающегося процесса синтеза, но реактор EAST заметно увеличил длительность этого процесса.

Одной из проблем для исследователей термоядерного синтеза является предел плотности, называемый пределом Гринвальда, после которого плазма обычно становится нестабильной. Проблема в том, что, хотя более высокая плотность плазмы позволяет большему количеству атомов сталкиваться друг с другом, снижая энергетические затраты на зажигание, нестабильность прерывает реакцию термоядерного синтеза.

Чтобы преодолеть предел Гринвальда, китайские учёные тщательно контролировали взаимодействие плазмы со стенками реактора, управляя двумя ключевыми параметрами при запуске реактора: начальным давлением топливного газа и нагревом за счёт электронно-циклотронного резонанса, или частотой, с которой электроны в плазме поглощали микроволны. Это позволило поддерживать стабильность плазмы при экстремальных плотностях, в 1,3–1,65 раза превышающих предел Гринвальда — намного выше обычного рабочего диапазона токамака от 0,8 до 1.

Это не первый случай преодоления предела Гринвальда. Например, в 2022 году этого добились исследователи на токамаке DIII-D Национального термоядерного реактора Министерства энергетики США в Сан-Диего, а в 2024 году учёные из Университета Висконсина в Мэдисоне объявили, что им удалось на экспериментальном устройстве поддерживать стабильную плазму токамака на уровне, примерно в 10 раз превышающем предел Гринвальда.

Однако прорыв на установке EAST позволил исследователям впервые нагреть плазму до ранее недостижимого состояния, называемого «режимом без плотности» (density-free regime), при котором плазма оставалась стабильной по мере увеличения плотности. Исследование основано на теории самоорганизации плазмы и стенок (Plasma-Wall Self Organization, PWSO), которая предполагает, что «режим без плотности» возможен при тщательно сбалансированном взаимодействии между плазмой и стенками реактора.

Достигнутый прогресс послужит основой для разработки новых реакторов. Десятки стран участвуют в программе Международного экспериментального термоядерного реактора (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) по созданию крупнейшего в мире токамака во Франции. Ожидается, что ITER позволит запустить полномасштабные термоядерные реакции в 2039 году.