Когато токамакът заработи, в подсилената му камера се случва нещо почти магично.

Плазмата, образувана от тежък водород, засиява в наситено розово и започва да се вихри в пръстеновидната камера.

След това миниатюрни зрънца литий попадат във вихъра, проблясват като ален прах и се превръщат в ярки зеленикаво-жълти следи.

Благодарение на високоскоростна цветна камера можем да наблюдаваме този процес в реално време, докато плазмата се нагрява в установката ST40 на Tokamak Energy. Така се пресъздава част от средата, която бъдещите токамаци ще използват, за да сливат атомни ядра и да произвеждат енергия от термоядрен синтез – технология, която един ден би могла да се превърне в значим източник на енергия.

Но впечатляващата гледка далеч не е най-важното.

Термоядреният синтез все още е далеч от практическото приложение. Проследяването на светещия литий обаче може да помогне на физиците да решат един от най-сериозните проблеми пред тази технология: как безопасно да се отвежда огромното количество топлина, което напуска плазмата.

Как да бъде овладяна огромната топлина

За да могат атомните ядра да се сливат, токамакът трябва да задържа плазма с температура от милиони градуси.

Това обаче е изключително трудно. Част от огромната енергия в плазмата неизбежно се пренася към нейната периферия.

Топлината трябва да бъде отведена по контролиран начин, затова токамаците са проектирани така, че възможно най-голяма част от нея да бъде насочвана към специални компоненти, наречени дивертори.

Сегашните експерименти с токамаци продължават сравнително кратко. В бъдеща термоядрена електроцентрала обаче диверторите ще трябва да издържат продължително време на изключително високи топлинни натоварвания, без бързо да се разрушават.

Натоварването върху тях е толкова сериозен проблем, че е сред основните фактори, които определят конструкцията на бъдещите сферични токамак реактори. При експерименти със ST40 изследователите са измерили топлинни потоци, достигащи 150 мегавата на квадратен метър.

Затова отвеждането на топлината е сред ключовите задачи, които учените изследват със ST40. Един от въпросите е дали самата плазма може да бъде използвана като част от решението.

Какво показва високоскоростната цветна камера

Високоскоростните камери с висока резолюция се използват в токамаците от десетилетия.

Цветното високоскоростно заснемане също не е напълно ново. Още през 2014 г. цветна камера е използвана в руския токамак T-11M, както е описано в научна публикация от 2016 г.

Високоскоростно цветно заснемане на взаимодействието между плазмата и литиев ограничител в руския токамак T-11M. Ярките следи са литиеви капчици, изхвърлени от ограничителя при възникване на нестабилност. Те се движат със скорост около 100 метра в секунда. (Lazarev et al., Fusion Eng. Des., 2016)

При този експеримент обаче е имало съществено ограничение. Камерата е проследявала лития в периферията на плазмата, но е снимала с едва 1000 кадъра в секунда. Според изследователите тази скорост не е достатъчна, за да се проследи как се променят литиевите нишки с течение на времето. За целта са необходими над 10 000 кадъра в секунда.

Камерата, която наблюдава вътрешността на ST40, записва с 16 000 кадъра в секунда.

Именно тази скорост позволява на учените да видят процеси, които иначе остават скрити.

По принцип примесите в плазмата могат да създадат сериозни проблеми в един термоядрен реактор. Те увеличават загубата на енергия чрез излъчване, охлаждат плазмата и могат да нарушат условията, необходими за протичането на термоядрен синтез.

Ако охлаждането обаче се случи на точно определено място – в периферията на плазмата – то може да се окаже полезно. По този начин топлинното натоварване върху диверторите може да бъде намалено, докато централната част на плазмения пръстен остава достатъчно гореща, за да поддържа условията за синтез.

X-точката: охлаждане точно там, където е необходимо

На този принцип се основава експериментален режим, известен като X-point radiator, или XPR.

Плазмата се задържа от мощно магнитно поле. В близост до дивертора има област, известна като X-точка, където конфигурацията на магнитното поле образува характерна X-образна структура.

Физиците се опитват да накарат примесите да излъчват част от енергията именно в тази зона и така да охладят плазмата, преди тя да достигне дивертора. Целта е да се намали натоварването върху компонентите на реактора, без да се охлажда горещото ядро, където се създават условията за синтез.

Литият е един от материалите, с които учените експериментират, за да разберат как подобно охлаждане може да се управлява. Изследванията върху плазмата и термоядрения синтез се развиват все по-активно и в специализирани научни и университетски лаборатории.

Точно тези процеси стоят и зад впечатляващите цветове, които камерата заснема.

Защо плазмата свети в розово, червено и зеленикаво-жълто

Колкото и странно да звучи, цветната плазма, която виждаме на кадрите, не е най-горещата част от ST40. Ядрото на плазмата, където температурите са достатъчно високи за термоядрен синтез, е прекалено горещо, за да излъчва наблюдаваната видима светлина. Камерата всъщност показва какво се случва в сравнително по-хладните външни слоеве на плазмата.

Розовото сияние идва от деутерия, който се подава в токамака и излъчва светлина в червената и синята част на спектъра.

Когато миниатюрните литиеви зрънца с размер на песъчинки попаднат в по-хладните външни области, неутралните литиеви атоми се възбуждат и започват да светят в яркочервено.

Когато литият проникне по-навътре в по-горещата и по-плътна плазма, атомите му губят по един електрон и се превръщат в положително заредени литиеви йони. Тези йони Li+ излъчват характерна зеленикаво-жълта светлина.

Тъй като вече са електрически заредени, литиевите йони се движат по линиите на магнитното поле. Така ярките зеленикаво-жълти следи се превръщат в своеобразен видим маркер на иначе невидимата магнитна структура, която задържа плазмата.

Когато цветът се превърне в научен инструмент

Температурна карта на токамака може да бъде получена сравнително лесно дори с черно-бяло изображение. Голямото предимство на цветната камера е друго: тя позволява на физиците да проследяват различни атоми и йони при различни условия в плазмата и да установят накъде се движи литият и докъде прониква.

В комбинация със спектроскопията, която позволява прецизно да се определят дължините на вълните на излъчваната светлина, високоскоростните кадри дават на учените допълнителен начин да проверят дали примесите отвеждат енергия точно там, където е необходимо.

Ако това не се случва, условията в експеримента могат да бъдат променени и опитът да бъде повторен. Така изследователите постепенно установяват как охлаждането да бъде концентрирано в желаната зона – знание, което един ден може да се окаже решаващо за начина, по който бъдещите термоядрени реактори ще отвеждат огромните количества топлина.

Първите резултати показват, че подходът XPR има потенциал.

Първите експерименти дават обещаващи резултати

В предварителни резултати от експерименти със ST40 изследователите съобщават, че са успели да създадат зона на силно излъчване, която преминава през X-точката и значително охлажда периферията на плазмата. Когато това се случи, измерванията показват, че до дивертора достига по-малко топлина.

Според учените голяма част от излъчването в тези експерименти вероятно е било причинено от въглерод, отделен от стените на токамака, а не от умишлено въведения литий. В момента обаче се провеждат нови експерименти с литий и неон, чиято цел е топлинното натоварване да бъде намалено още повече.

Компютърните модели показват, че литият може да бъде особено подходящ за тази задача. Възможно е той да бъде концентриран около дивертора – точно там, където охлаждащият му ефект е необходим – без значителни количества от него да достигат до вътрешните области на плазмата и да влошават условията за синтез.

Тези разработки са част от много по-широките усилия за постигане на управляем термоядрен синтез, в които участват научни екипи от различни държави.

А Tokamak Energy възнамерява да развие този подход още по-далеч.

Какво предстои за ST40

В момента ST40 преминава през мащабна модернизация. Въглеродната защитна облицовка ще бъде заменена с молибден, а нови системи ще позволят компонентите, които са в пряк контакт с плазмата, да бъдат покривани с литий. Ще бъде добавена и нова диагностична апаратура, с която процесите в периферията на плазмата ще могат да се изследват много по-подробно.

Тези усилия са част от десетилетия работа по превръщането на термоядрения синтез в практически приложима технология. В Европа например учени вече са постигали рекордни резултати при експерименти с термоядрена плазма – още една важна стъпка по пътя към използването на този източник на енергия.

След модернизацията на ST40 може би ще видим още по-впечатляващи цветни сияния. Но зад красотата им ще стои нещо далеч по-важно – данни, които могат да помогнат на учените да се приближат до реално работеща термоядрена енергетика.