Рекордные достижения в области ядерного синтеза на немецком научном фронте открывают новые горизонты для разработки альтернативных источников энергии. В экспериментальных кампаниях, проведенных в рамках исследования с использованием стеллятора Wendelstein 7-X в институте Макса Планка по плазменной физике (IPP) в Граевольде, поставлены новые рекорды, значительно продвинувшие технологию термоядерного реактора. Этот успех свидетельствует о приближении к реализации концепции устойчивой и практически безграничной чистой энергии.

Ядерный синтез — это процесс объединения ядер легких элементов, таких как изотопы водорода, в более тяжелые атомы. При этом выделяется колоссальное количество энергии — примерно в миллионы раз больше, чем при химических реакциях, например, сжигании нефти или газа. В природе именно эта реакция поддерживает энергию звезд, включая наше Солнце, где при температурах свыше 15 миллионов градусов Цельсия происходит слияние водородных ядер в гелий.

Для человечества ядерный синтез — это потенциальное решение глобальной энергетической проблемы. Он обещает обеспечить неиссякаемый источник чистой энергии без выбросов парниковых газов, радиоактивных отходов и риска экстремальных аварий, характерных для традиционных ядерных реакторов на делении. Тем не менее, воссоздать условия, близкие к солнечным, на Земле — чрезвычайно сложно: требуются сверхвысокие температуры, стабильное управление плазмой и эффективное удержание энергии в реакторе.

Стеллятор — это тип термоядерного реактора, дизайн которого симулирует процессы внутри Солнца, за счет использования мощных магнитных полей для удержания плазмы без необходимости протекания больших токов через нее, как в токамаках. В отличие от более распространенных токамаков, стелляторы используют внешний магнитный контур для стабилизации плазмы, что обеспечивает более высокую стабильность и меньшую энергоемкость в управлении.

Самым важным преимуществом является возможность продолжительного удержания плазмы — ключевое условие для достижения энергетического выхода, превосходящего затраты. Это критически важно для коммерческой реализации — когда реактор генерирует больше энергии, чем потребляет, и становится экономически целесообразным.

Недавние эксперименты на стелляторе Wendelstein 7-X показали поразительные результаты, которые могут стать поворотным моментом в области термоядерной энергетики. В ходе кампании, завершенной недавно, швейцарско-немецкая команда исследователей установила рекорд по тройному произведению — одному из главных показателей эффективности реактора. Этот показатель сочетает в себе плотность плазмы, температуру, необходимую для ядерного слияния, и время удержания энергии.

Показатель «Тройное произведение» — это критерий Лавсона, минимальный уровень которого необходимо достигнуть, чтобы реакция стала самоподдерживающейся. Новейшие результаты превзошли все предыдущие показатели на аналогичных устройствах, таких как японский JT60U и британский JET, а также рекордные показатели китайского EAST — это подтверждение высокой эффективности стеллятора.

«Новый рекорд — это значительный шаг вперед в подтверждении концепции стеллятора, достигнутый благодаря международному сотрудничеству ученых из разных стран», — отметил Томас Клинджер, руководитель операций на Wendelstein 7-X и глава исследований динамики и транспорта плазмы в IPP.

Ключевым элементом успеха стал новый инжектор топлива, который сочетает непрерывное дозаправление реактора и импульсный нагрев для поддержания нужной температуры плазмы. За 43 секунды в плазму было впрыснуто 90 кусков замороженного водорода со скоростью около 800 метров в секунду — примерно снаряды из пули. Эта высокая скорость позволила точно управлять процессом и продлить стабильное удержание плазмы.

Дополнительные меры включали использование мощных микроволн, которые поднимали температуру плазмы до 30 миллионов градусов Цельсия и обеспечивали равномерное распределение энергии. Синхронизация микроволн с пулей впрыска позволила продлить время удержания энергии и увеличить общую энергоэффективность реакции.

В рамках эксперимента удалось достичь энергии в 1,8 гигоджоулей за шесть минут — это рекордное значение, превосходящее предыдущий показатель в 1,3 гигоджоуля, зафиксированный в феврале 2023 года. Этот показатель говорит о способности реактора не только удерживать плазму, но и эффективно перерабатывать высвобождающуюся энергию.

Более того, данный результат превзошел рекорд для аналогичных устройств, таких как пекинский EAST, и служит подтверждением высокой потенции стеллятора как платформы для будущих энергетических станций. Постоянное увеличение энергетического выхода и стабильность работы — ключевые показатели для создания прототипов коммерческих реакторов.

Экспертные оценки показывают, что такие достижения приближают реализацию идеи фермической электростанции — установки, которая способна обеспечить неиссякаемый источник энергии при минимальных экологических последствиях. В отличие от традиционных ядерных реакторов, ФЕРМИЧЕСКИЙ реактор не производит радиоактивных отходов, опасности радиационного загрязнения или рисков, связанных с аварийными ситуациями.

В ближайшие годы ученые намерены сосредоточиться на оптимизации технологий инжекции топлива, контроля плазмы и повышения надежности системы. В частности, планируется разработка более эффективных магнитных систем и методов длительного удержания плазмы, чтобы преодолеть текущие ограничения по времени работы реактора.

Этот прорыв подтверждает мировую тенденцию к развитию ядерного синтеза как одного из приоритетных направлений в области энергетики. В рамках международных проектов, таких как ITER во Франции и региональных инициатив, ученые объединяют усилия для ускорения внедрения технологии в коммерческую эксплуатацию. Германия, благодаря развитию своих научных центров, демонстрирует, что инновации в научно-технической сфере способны решать глобальные задачи.

Не исключено, что в ближайшие десятилетия мы увидим первые коммерческие стелляторы, которые будут ежегодно производить несмешанную и экологически чистую энергию, способную обеспечить потребности всего мира.

Итак, немецкие ученые на стелляторе Wendelstein 7-X достигли убедительных успехов, установив новые рекорды в области ядерного синтеза. Эти достижения не только подтверждают жизнеспособность технологии, но и делают более реалистичной цель создания практических и устойчивых энергетических установок. В условиях глобальной борьбы с климатическими изменениями и исчерпанием ископаемых ресурсов, именно ядерный синтез становится одним из наиболее перспективных решений в обеспечении устойчивого будущего цивилизации.