Китайский токамак HL-3 впервые нагрел плазму свыше 100 миллионов градусов и приблизился к параметрам работающего термоядерного реактора

В китайском городе Чэнду (Chengdu) установка HL-3 достигла исторического результата: температура ионов в её плазме превысила 100 миллионов градусов Цельсия (10,1 кэВ), а эффективность удержания энергии приблизилась к уровням, необходимых для запуска реактора термоядерного синтеза. Эти значения были достигнуты в особом режиме работы, называемом «горячие ионы», когда ионы внутри плазмы нагреваются значительно сильнее электронов — в два и более раза.

Управляемого термоядерного синтеза измеряется по так называемому «тройному произведению» — это произведение трёх величин: плотности плазмы, её температуры и времени, в течение которого она удерживает энергию. Чем выше это значение, тем ближе реактор к самоподдерживающемуся синтезу, когда выделяемая энергия превышает затрачиваемую. Для HL-3 этот показатель достиг 0,69 × 10²⁰ кэВ·с/м³, что стало новым национальным рекордом и приблизило установку к международному проекту ITER, строящемуся во Франции, где целевой уровень составляет 10²¹ кэВ·с/м³.

Такой прогресс стал возможен благодаря усовершенствованию систем нагрева и удержания плазмы. В HL-3 использовалась система впрыска нейтральных частиц (NBI) — пучков ускоренных атомов, которые влетают в плазму и передают ей энергию. В эксперименте пучки мощностью до 5 мегаватт разогрели вещество до рекордных температур.

Одновременно инженеры применили особую конфигурацию — сдвиг силовых линий магнитного поля, который помогает стабилизировать плазму и удерживать её дольше. Внутри такого поля формируются области, где потери тепла резко уменьшаются — их называют транспортными барьерами. В HL-3 удалось создать сразу две: внутреннюю и внешнюю, что позволило удерживать энергию дольше обычного.

Сам токамак имеет усовершенствованную геометрию: плазма внутри него не просто кольцевая, а вытянутая и слегка треугольная. Такая форма улучшает устойчивость и позволяет хранить больше энергии при том же магнитном поле. Для контроля параметров учёные использовали спектроскопию обмена заряда (CXRS) для измерения скорости и температуры ионов и томсоновское рассеяние — метод, при котором в плазму направляют лазер, а по рассеянному свету определяют температуру и плотность электронов.

Рекордные значения были зафиксированы в ходе эксперимента №13243: во время работы в «горячем ионном режиме» температура достигла 10,1 кэВ, а тройное произведение — 0,69 × 10²⁰ кэВ·с/м³. Даже когда плазма перешла в более спокойное состояние (так называемый L-режим), температура удержалась на уровне 9,4 кэВ, что показывает стабильность системы.

Дальнейшие эксперименты HL-3 направлены на решение двух ключевых задач: как эффективно отводить избыток тепла и как предотвратить нестабильности при длительной работе. Для этого планируется испытание новых типов диверторов — специальных магнитных конфигураций, которые выводят плазму к охлаждаемым стенкам реактора, защищая его элементы. Среди них — конфигурации «снежинка» и «тринога», уже показавшие хорошие результаты в других токамаках.

Достижения HL-3 показывают, что Китай быстро приближается к этапу, когда управляемый термоядерный синтез перестанет быть лабораторным экспериментом. Установка стала одной из самых продвинутых в мире и важной частью международного пути к чистому и практически неограниченному источнику энергии. «Эти эксперименты не только установили новые рекорды, но и заложили основу для будущих реакторов следующего поколения», — говорится в отчёте команды.

 Источник: The Innovation