Термоядерный реактор FuZE-3 достиг давления, как в 10 Марианских впадинах
Компания Zap Energy продемонстрировала рекордное давление плазмы в эксперименте FuZE-3, новом поколении термоядерных установок. Плазма достигла суммарного давления 1,6 гигапаскаля, что соответствует десятикратному давлению на дне Марианской впадины.
FuZE-3: компактная мощь
FuZE-3 — третье поколение устройств FuZE и пятое Z-пинч устройство Zap. Ключевое новшество — третий электрод, который разделяет процессы ускорения и сжатия плазмы. Камера длиной около 12 футов создает плотные горячие нити диаметром всего несколько миллиметров.
«В FuZE-3 произошли серьезные изменения по сравнению с предыдущими системами Zap, и здорово видеть, что он работает так хорошо и так быстро с самого начала», — говорит Колин Адамс, руководитель отдела экспериментальной физики.
Это рекорд для Z-пинча, стабилизированного сдвиговым потоком, и важный шаг на пути к положительному энергетическому выходу — то есть к ситуации, когда термоядерная реакция вырабатывает больше энергии, чем потребляет установка.
Давление и его значение
Высокое давление в термоядерной плазме крайне важно, потому что оно увеличивает вероятность того, что частицы столкнутся и произойдут реакции, выделяющие энергию. В эксперименте FuZE-3 давление электронов достигло 830 мегапаскалей (МПа), а если учитывать ионы — более тяжелые частицы в плазме — общее давление составило примерно 1,6 гигапаскаля (ГПа). Для сравнения, это в десять тысяч раз выше, чем давление воздуха на уровне моря, и примерно в десять раз выше давления на дне Марианской впадины.
Плазма удерживалась всего около микросекунды — одной миллионной доли секунды. Несмотря на краткость, этого времени оказалось достаточно, чтобы точно измерить параметры плазмы с помощью метода оптического рассеяния Томсона. Этот метод позволяет одновременно определить, насколько горячая и плотная плазма, немного как использовать свет, чтобы «прощупать» ее внутренние свойства.
В последних экспериментах электронная плотность достигала 3–5×10²⁴ частиц на кубический метр, а температура превышала 1 кэВ — около 21 миллиона градусов по Фаренгейту. Для наглядного сравнения: температура в центре Солнца примерно вдвое ниже, а здесь ученые получают ее в лаборатории на Земле. Представьте, что в FuZE-3 плазма сжимается и нагревается до экстремальных условий за крошечные доли секунды — почти как создать мини-Солнце на несколько мгновений.
Как работает FuZE-3
Ранее устройства Zap использовали два электрода: один ток одновременно ускорял и сжимал плазму. Третий электрод FuZE-3 позволяет контролировать ускорение и сжатие отдельно, повышая плотность и стабильность плазмы.
«Двухэлектродные системы нагревались эффективно, но не обеспечивали сжатие, которое предсказывали наши модели», — объясняет Адамс.
Система FuZE-3 не стремится к мгновенному сжатию, как лазерные инерциальные установки, а работает в режиме квазистационарного магнитного удержания. Это значит, что важна не скорость сжатия, а поддержка стабильного потока, что уменьшает разрушительные турбуленции.
Цель FuZE-3 — высокие показатели тройного продукта, который объединяет плотность, температуру и время удержания плазмы. Высокий тройной продукт позволяет получать больше энергии от термоядерной реакции. Команда Zap использует сочетание моделирования, теории и экспериментов для оптимизации параметров.
«Это была серьезная работа команды, которая увенчалась успехом благодаря циклу теоретических прогнозов, компьютерного моделирования, быстрой сборки и тестирования, экспериментальной проверки и опыта измерений», — отмечает Бен Левитт, вице-президент по исследованиям и разработкам.
«Мы только начинаем работу с FuZE-3, но уже видим, насколько эффективно устройство сочетает компактность и высокие показатели. Результаты FuZE-3 дадут основу для систем следующего поколения и ускорят путь к коммерческому термоядерному синтезу», — говорит Левитт.
На данный момент новый реактор демонстрирует, что небольшие и относительно недорогие установки способны достигать давления и температуры, сопоставимых с крупными мировыми экспериментами, открывая новый этап исследований синтеза энергии.
