Плазма, народжена з важкого водню, спалахує яскравим рожевим кольором, вирує і звивається у камері тороїдальної форми.
Потім у цей вир спрямовуються крихітні частинки літію; вони виблискують, немов червоний чарівний пилок, а потім спалахують яскравими зелено-жовтими смугами світла.
Завдяки високошвидкісній кольоровій камері ми можемо спостерігати за цим процесом у реальному часі: плазма розігрівається всередині установки ST40 компанії Tokamak Energy, створюючи умови, подібні до тих, що будуть використовуватися в майбутніх токамаках для зіткнення атомних ядер і отримання термоядерної енергії — джерела, здатного одного дня забезпечити енергією весь світ.
Але вражає не лише чудове видовище.
Технології термоядерного синтезу мають пройти довгий шлях, перш ніж вони стануть придатними для практичного застосування, і спостереження за траєкторією розпеченого літію може допомогти фізикам подолати одну з головних перешкод: завдання безпечного відведення колосального тепла, що виділяється термоядерною плазмою.
Для зближення атомних ядер у токамаку необхідно утримувати плазму, розігріту до мільйонів градусів.
Проте забезпечити таке утримання непросто: частина колосальної енергії, що циркулює всередині, неминуче залишає ділянку утримання плазми.
Ця енергія повинна кудись йти, тому конструкція токамаків передбачає відведення максимальної кількості тепла до спеціальних елементів – диверторів.
На сьогодні експерименти на токамаках мають відносно короткочасний характер. Однак у майбутніх термоядерних електростанціях цим компонентам доведеться витримувати екстремальні теплові навантаження протягом тривалого часу, не руйнуючись при цьому.
Проблема теплового навантаження на дивертор настільки серйозна, що є одним із ключових факторів, що визначають конструкцію майбутніх електростанцій на базі сферичних струмів. У ході експериментів на установці ST40 дослідники зафіксували теплові потоки, що досягають 150 мегаватів на квадратний метр.
У зв'язку з цим відведення тепла - одне із завдань, що вивчаються дослідниками за допомогою ST40; зокрема, вони з'ясовують, чи можна залучити саму плазму до розв'язання цієї проблеми.
Зрозуміло, токамаки оснащуються високошвидкісними камерами високої роздільної здатності практично з моменту їх появи.
Високошвидкісне кольорове фільмування також не є нововведенням: кольорову камеру вже встановлювали на токамаку раніше.
Однак тоді відзначався важливий нюанс. Хоча камера і відстежувала рух літію на межі плазми, вона працювала із частотою 1000 кадрів на секунду; дослідники визнали цю швидкість недостатньою для того, щоб простежити за динамікою літієвих ниток у часі. За їхніми словами, для цього знадобилася б частота фільмування понад 10 000 кадрів за секунду.
Камера, спрямована всередину установки ST40, записує зі швидкістю 16 000 кадрів в секунду.
Ось що вона фіксує.
Зазвичай домішки в плазмі, що циркулює всередині термоядерного реактора, створюють серйозні проблеми: вони прискорюють втрати тепла шляхом випромінювання, що призводить до охолодження плазми та може порушити умови, необхідні для протікання термоядерної реакції.
Однак, якщо таке охолодження відбувається в потрібному місці - на периферії плазмового шнура, воно може стати перевагою: це дозволяє знизити теплове навантаження на дивертори, тоді як центральна частина плазмового тора зберігає температуру, достатню для підтримки термоядерного синтезу.
На цьому принципі заснований експериментальний режим роботи, який отримав назву XPR (X-point radiator - випромінювач у X-точці).
Плазма утримується потужним магнітним полем. X-точка (або розділова точка) - це область магнітного поля поблизу дивертора, де силові лінії утворюють характерну структуру у формі літери X.
Стимулюючи випромінювання енергії домішками у цій зоні, фізики розраховують охолодити плазму до досягнення дивертора. Це дозволяє знизити екстремальні навантаження на елементи конструкції, не охолоджуючи при цьому центральну область плазми, де відбувається термоядерна реакція.
Літій — один із матеріалів, з якими експериментують фізики, намагаючись зрозуміти, як можна керувати цим процесом охолодження.
Саме це і створює таку дивовижну кольорову картину.
Попри очікування, різноколірна плазма, зафіксована камерою, - це не найгарячіша частина установки ST40. Температура термоядерного ядра занадто висока для випромінювання видимого світла; камера ж фіксує процеси, що відбуваються у відносно холоднішій плазмі на периферії.
Рожеве свічення походить від дейтерію, що подається в токамак: цей газ випромінює світло, що поєднує червоні та сині хвилі.
Потрапляючи в ці холодніші зовнішні області, крихітні - розміром з піщинку - частинки літію переходять у збуджений стан і починають яскраво світитися малиново-червоним кольором.
Однак у міру проникнення літію в більш гарячу та щільну плазму його атоми втрачають електрон, перетворюючись на позитивно заряджені іони (Li⁺). Ці іони випромінюють характерне зеленувато-жовте світло.
Оскільки іони літію мають електричний заряд, вони рухаються вздовж ліній магнітного поля, перетворюючи яскраві зеленувато-жовті смуги на слід, що світиться, що позначає невидимі силові лінії, що утримують плазму.
Карту розподілу температур у токамаку можна було б отримати й в чорно-білому зображенні. Кольорова камера дозволяє фізикам відстежувати поведінку різних атомів і іонів у різних режимах плазми, спостерігаючи за траєкторією і глибиною проникнення літію.
У поєднанні зі спектроскопією, що дозволяє точно визначити довжини хвиль світла, що випускається, високошвидкісне фільмування дає фізикам можливість побачити, чи відбувається випромінювання енергії домішками саме там, де це необхідно.
Якщо цього не відбувається, дослідники можуть змінити умови експерименту та повторити спробу навчитися локалізувати охолодження в потрібній зоні. Отримані знання можуть у майбутньому визначити способи відведення величезних теплових потоків термоядерних реакторах.
Вже з'явилися перші ознаки того, що метод XPR може бути ефективним.
Згідно з попередніми результатами експериментів на установці ST40, дослідникам вдалося створити випромінювальну область, яка переміщається через X-точку та суттєво охолоджує периферійний шар плазми. Вимірювання показують, що при цьому знижується кількість тепла, що досягає дивертора.
Дослідники вважають, що значна частина випромінювання у тих експериментах була викликана частинками вуглецю, вибитими зі стінок токамака, а не спеціально введеним літієм. Втім, зараз уже проводяться експерименти з використанням літію та неону для додаткового зниження теплового навантаження.
Комп'ютерне моделювання показує, що літій може бути особливо ефективним: його можна сконцентрувати в диверторі, де потрібен охолодний ефект, і при цьому не допустити попадання значної кількості цієї речовини в центральну частину плазмового шнура, де воно могло б погіршити характеристики плазми.
Компанія Tokamak Energy має намір піти ще далі у реалізацію цієї ідеї.
Зараз установка ST40 проходить масштабну модернізацію: вуглецеве облицювання замінюють на молібденове, впроваджують системи нанесення літієвого покриття на елементи, що контактують із плазмою, а також встановлюють нові діагностичні засоби для детального вивчення процесів на периферії плазми.
Можливо, після цього ми побачимо ще більш разючі переливи кольорів, що виходять із глибин установки, — кольори, що несуть інформацію, яка допоможе нам наблизитися до майбутнього, що ґрунтується на термоядерній енергії.
