Внутри термоядерного реактора плазма нагреется выше 100 млн°C. Китай испытал магнит, способный её удержать

Китай проверил крупнейшую, по данным местных разработчиков, сверхпроводящую магнитную систему для будущего термоядерного реактора. Испытания прошли на установке CRAFT, которую создают как площадку для отработки технологий управляемого синтеза. Главная задача этих магнитов - удерживать раскалённую плазму, температура которой может превышать 100 млн °C, чтобы плазма не касалась стенок реактора.

Термоядерный синтез повторяет процесс, благодаря которому светят звёзды: лёгкие атомные ядра сливаются и выделяют энергию. На Земле для этого нужно создать плазму горячее солнечного ядра и удерживать её достаточно долго. Ни один обычный материал не выдержит прямого контакта с такой средой, поэтому в токамаках плазму удерживают магнитным полем внутри камеры в форме бублика.

Китайские специалисты завершили разработку, приёмку и полноформатные испытания двух ключевых компонентов: магнита тороидального поля и катушки центрального соленоида. По данным китайского агентства Xinhua, критические технологии для этих систем разработаны внутри страны. Для Пекина это не только научный результат, но и проверка собственной промышленной базы: без сверхпроводящих проводов, специальных сталей, изоляционных материалов и точной сборки такие установки не строят.

Магнит тороидального поля отвечает за основное удержание плазмы. Он создаёт магнитное поле вдоль кольцевой камеры и направляет заряженные частицы по замкнутой траектории. Испытанная конструкция имеет длину 21 метр, ширину 12 метров и высоту 3,3 метра. Масса компонента достигает 582 тонн. По сообщениям китайских СМИ, объём магнита в 1,3 раза больше аналогичного компонента международного реактора ITER во Франции, а запасаемая энергия - в три раза выше.

Сверхпроводимость нужна именно для таких масштабов. Обычная катушка при огромных токах быстро перегрелась бы и тратила слишком много энергии. После охлаждения ниже критической температуры сверхпроводящий материал проводит электрический ток без сопротивления, поэтому магнит может создавать сильное поле и работать долго. В термоядерном реакторе это одно из базовых условий: плазму нельзя удержать механически, поэтому её удерживают магнитной ловушкой.

Центральный соленоид выполняет другую работу. Если тороидальные катушки формируют основную магнитную ловушку, то соленоид запускает и регулирует ток внутри плазмы. Именно этот ток помогает разогревать плазму, задаёт её поведение и влияет на устойчивость разряда. По данным SCMP, катушка была рассчитана на номинальный ток 46,5 килоампера, но во время испытаний выдержала 60 килоампер. Чтобы удерживать плазму, требуется прецизионное управление магнитным полем в течение длительного времени.

В институте подчёркивают, что центральный соленоид работает в самых сложных условиях среди магнитов реактора. От его характеристик зависит, получится ли зажечь плазму и поддерживать устойчивый плазменный разряд. Для будущей электростанции мало разово получить горячую плазму: реактор должен поддерживать процесс стабильно, предсказуемо и достаточно долго, чтобы установка могла вырабатывать электроэнергию.

Полная магнитная система будущего устройства будет состоять не из одной тороидальной катушки. Китайские разработчики планируют собрать 16 таких элементов в общий контур. Каждая катушка рассчитана на ток 100 килоампер и должна создавать поле 6,5 тесла в центре системы. Только совместная работа всех компонентов даст магнитную конфигурацию, необходимую для крупного реактора.

CRAFT служит промежуточным звеном между экспериментальными токамаками и будущими промышленными установками. Китай уже много лет развивает направление сверхпроводящего синтеза: в 1990-е годы страна переделала российский токамак Т-7 в HT-7, а в 2006 году запустила EAST, известный как китайское искусственное солнце. На установке EAST исследуют режимы удержания плазмы, а CRAFT готовит инженерные узлы, без которых коммерческий реактор невозможен.

Успешные испытания не означают, что термоядерная электростанция готова к запуску. Магнитная система решает только часть задачи. Инженерам ещё нужно добиться устойчивой плазмы, отработать материалы для внутренних стенок, наладить топливный цикл, отвод тепла, защиту от нейтронного потока и экономику всей установки. Проверка крупнейших сверхпроводящих магнитов показывает, что Китай постепенно создаёт не только экспериментальную базу, но и тяжёлую инженерную основу для будущего термоядерного реактора.