Стелларатор Wendelstein 7-X довів свою працездатність у серії експериментів, проведених у 2016-2017 роках - бустреп-струм, що дестабілізує плазму, вдалося зменшити майже вчетверо, а час утримання плазми вийшло довести до 160 мілісекунд. На даний момент це найкращий результат серед стелараторів. Стаття німецьких фізиків, що підбиває підсумки серії експериментів, опублікована в, коротко про роботу вчених розповідається в редакційній колонці.
Фізики обіцяють побудувати термоядерний реактор вже більше шістдесяти років (з тих пір, як було випробувано термоядерну зброю), проте створити діючі комерційні установки їм досі так і не вдалося. Справа в тому, що для здійснення довгострокового термоядерного синтезу в реакторі необхідно досить довго утримувати плазму, розігріту до величезної температури близько десяти мільйонів градусів. Як правило, фізики використовують для цього потужні надпровідні магніти, що створюють сильні магнітні поля і не дають плазмі торкнутися стінок. На жаль, спробована плазма дуже нестабільна - стоїть невеликому шматочку плазми відхилитися від оптимальної траєкторії, як він викидається на стінку і пошкоджує її. Оскільки частинки в плазмі постійно стикаються один з одним, рано чи пізно такі викиди відбуваються. Тому час утримання існуючих термоядерних реакторів становить всього кілька хвилин (зрозуміло, до безповоротного пропалювання стінки в реальних експериментах справу намагаються не доводити), а генерована в результаті синтезу потужність перевищила потужність, необхідну для підтримки реакції, всього кілька років тому.
Найбільш поширеним типом термоядерних реакторів є токамаки - тороїдальні камери з магнітними котушками, всі сучасні рекорди в області термоядерного синтезу відносяться саме до цього типу установок. У токамаку плазмовий шнур утримується за допомогою тороїдального поля зовнішніх магнітних котушок і полоїдального поля, що створюється протікаючим по шнуру електричним струмом. Грубо кажучи, магнітне поле токамаку виглядає як бублик, на який намотані лінії напруженості магнітного поля. На жаль, для роботи цього типу термоядерного реактора електричний струм у плазмі повинен підтримуватися постійно, що досить складно технічно реалізувати.
Тим не менш, токамаки - це не єдина можлива схема термоядерного реактора. Поряд з ними вчені розробляють стеларатори, в яких підтримувати електричний струм всередині плазми не потрібно (він виникає сам собою), і можна обійтися тільки зовнішніми магнітними полями. Як і у токамака, в основі стеларатора лежить тор, проте магнітні поля зовнішніх котушок поводяться набагато хитріше, утворюючи систему замкнутих, вкладених один в одного тороїдальних магнітних поверхонь. Грубо кажучи, в стелараторі плазма утворює «м'ятий бублик» замість «рівного бублика» токамака (щоб зрозуміти, про що йдеться, краще один раз подивитися на малюнок). Це дозволяє запобігти «розпліскуванню» плазми і теоретично має підвищити час її утримання. Правда, розрахувати таку конфігурацію магнітного поля виявилося неймовірно складно - хоча вперше ідея стелларатора була запропонована ще в 1951 році, істотного прогресу в його розробці вдалося досягти тільки до початку XXI століття, коли для обчислень вдалося залучити суперкомп'ютери.
Wendelstein 7-X - це один з перших стелараторів, найбільш близький до керованого термоядерного синтезу. Цей реактор складається з 50 надпровідних ніобій-титанових котушок висотою близько 3,5 метрів і загальною вагою близько 425 тонн. Котушки здатні створювати магнітне поле індукцією три тесла, що утримує плазму з температурою понад 60 мільйонів градусів Кельвіна, а сумарний об'єм плазми може досягати 30 кубічних метрів. У новій роботі вчені наводять результати роботи стеларатора в 2016-2017 роках, які підтвердили, що в плазмовому шнурі всередині установки виникає порівняно слабкий бутстреп-ток (bootstrap current). На відміну від токамаків, в яких цей струм прагнуть якомога сильніше збільшити, в стелараторах від нього намагаються позбутися, оскільки він призводить до утворення кутових магнітних островів (edge magnetic islands) і дестабілізує плазму. Нові вимірювання на Wendelstein 7-X показали, що величину цього струму вдалося послабити приблизно в чотири рази порівняно з токамаками; крім того, струмом можна керувати, змінюючи топологію магнітного поля. Це дозволило вченим довести час утримання плазми до 160 мілісекунд, що на даний момент є найкращим результатом серед стелараторів.
Варто зазначити, що Wendelstein 7-X призначений для «обкатки» працездатності нової схеми, для комерційного термоядерного синтезу він не призначений. З токамаками він теж поки змагатися не може. Тим не менш, як показує робота вчених, розрахована конфігурація магнітних полів дійсно призводить до виникнення в плазмі бутстреп-струму і дозволяє утримувати плазму протягом порівняно довгого проміжку часу. У майбутньому ці показники планується збільшити на кілька порядків, а в силу конструктивних особливостей керувати стелараторами буде набагато зручніше, ніж токамаками. Зокрема, за оптимістичними оцінками Джозефа Талмаджа (Joseph Talmadge), автора короткої замітки в Nature, присвяченої Wendelstein 7-X, наступне покоління стелараторів зможе досягти часу утримання близько 30 хвилин, якщо розроблюваний дивертор активного охолодження буде коректно працювати. Нова стаття, яка підтвердила, що бутстреп-струмом, що протікає в плазмі, можна порівняно легко керувати, дозволяє сподіватися на такий результат.
Раніше ми вже писали про ключові події в будівництві стеларатора Wendelstein 7-X. Так, у грудні 2015 року на установці отримали першу гелієву плазму, нагріту до температури близько одного мільйона градусів, і утримали її протягом 0,1 секунди. А в грудні 2016 року стелларатор пройшов випробування магнітного поля, в результаті яких вчені переконалися, що створювана ним магнітна поверхня відхиляється від спроектованої не більш ніж на одну стотисячну.