Токамаки — это сложные установки, которые удерживают раскаленную плазму с помощью магнитного поля, словно в бутылке. Ученые бьются над тем, чтобы превратить этот процесс в надежный источник энергии. Чтобы токамак выдавал максимальную мощность, нужно одновременно добиться трех вещей: высокого давления плазмы, сильного тока и большой плотности частиц. При этом стенки установки нельзя перегревать — отбор тепла должен быть четко выверенным.

На национальном комплексе DIII-D специалисты решили попробовать нестандартный ход. Они взяли форму плазмы не привычную, как у буквы D, а перевернутую — так называемую «отрицательную треугольность». В этом случае плазма напоминает развернутый полумесяц, выгнутый в сторону внутренней стенки камеры. И эксперимент дал ошеломляющие результаты. Выяснилось, что такая конфигурация позволяет добиться стабильности там, где раньше плазма неизбежно начинала „капризничать“ и разрушаться.

Оказалось, что установка может работать без срывов, сохраняя при этом высокое давление, плотность и силу тока, да еще и удерживать тепло как надо. Раньше физики думали, что отрицательная треугольность — это путь к нестабильности. А вышло наоборот: перевернутая форма словно сама усмиряет плазменные бури.

Самое интересное — этот метод словно убивает двух зайцев. В термоядерной энергетике давняя головная боль: как сделать так, чтобы внутри плазмы были миллионы градусов для реакции, а снаружи, у самой стенки, было достаточно прохладно, чтобы не спалить оборудование. Это называют проблемой «связки центра и края». Отрицательная треугольность показала, что способна решить эту задачу. Края плазмы остаются холодными, а горячая сердцевина продолжает работать на максимуме.

Полученные режимы превзошли те параметры, которые инженеры закладывают в проекты будущих термоядерных электростанций. Это вполне реальный шанс изменить подход к строительству реакторов завтрашнего дня. Сейчас ученые подключили компьютерные симуляции, чтобы понять, как именно отрывается плазма от стенок в такой перевернутой схеме и как это зависит от мощности и тока. Если расчеты подтвердятся, у человечества появится еще один мощный инструмент для укрощения энергии звезд.

Для науки ценность этого исследования в том, что оно ломает устоявшуюся догму. Десятилетиями сообщество было уверено: для устойчивой работы нужна «положительная» выпуклость плазмы к наружной стенке. DIII-D показал, что мы зачастую мыслим шаблонно, и природа допускает более изящные решения. Это открывает новые направления в физике плазмы, заставляя переписывать учебники по магнитному удержанию.

В прикладном смысле польза колоссальная. Сейчас главный тормоз для коммерческих термоядерных станций — не столько невозможность зажечь реакцию, сколько невозможность защитить стенки реактора от уничтожения. Отрицательная треугольность предлагает элегантное решение без сложных и дорогих надстроек. Если мы сможем строить токамаки, где охлаждение краев плазмы заложено в самой геометрии, это резко снизит стоимость киловатт-часа. Нам не придется изобретать сверхпрочные материалы, выдерживающие адское пекло; мы просто отодвинем это пекло от стенок самой формой. Это путь к компактным, дешевым и ремонтопригодным термоядерным реакторам.

Безусловно, данные DIII-D выглядят обнадеживающе, но давайте не будем путать удачную конфигурацию с готовым решением. Мы видим красивые цифры на конкретной машине, но DIII-D — установка относительно небольшая. Перенос отрицательной треугольности на масштабы реактора-демонстратора или тем более коммерческой станции — это не просто смена геометрии, это смена масштаба физических процессов.

Все еще беспокоит вопрос «альфа-нагрева». В дейтерий-тритиевой плазме разогрев идет в основном за счет родившихся альфа-частиц. В отрицательной треугольности траектории этих быстрых частиц будут иными. Не приведут ли они к локальному перегреву или, наоборот, к выхолаживанию центра? На дейтерии мы этого не видим. Работа с тритием и реальным термоядерным горением — это совершенно другая лига. Пока мы не увидим эксперимента с полноценной DT-реакцией, красивая „перевернутая D“ так и останется интригующим лабораторным курьезом.

Ранее ученые нашли основную причину удержания топлива в токамаках.