Компания Commonwealth Fusion Systems (CFS) подтвердила корректность физических параметров плазмы для своего коммерческого термоядерного реактора ARC после публикации рецензируемого исследования в Journal of Plasma Physics.
Исследование подтвердило, что конструкция реактора ARC соответствует известным законам физики, что позволяет компании переключить внимание на детальную проработку аппаратной части.
Реактор ARC представляет собой токамак – установку в форме бублика, использующую магнитные поля для удержания сверхгорячей плазмы. Конструкция масштабирует технологию высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) магнитов, применяемых в экспериментальном токамаке SPARC, который строится в Массачусетсе. Поскольку обе установки имеют схожую конструкцию, технические данные SPARC будут напрямую использованы для доработки коммерческого реактора ARC.
Согласно подтверждённым моделям, ARC будет вырабатывать около 1,1 гигаватта (ГВт) термоядерной мощности для получения 400 мегаватт (МВт) чистой электроэнергии в сети. Суперкомпьютерное моделирование конструкции ARC версии 3A установило её ключевые параметры. Большой радиус установки – расстояние от центра токамака до самой горячей зоны плазмы – составит около 4,6 метра, что значительно больше 1,85 метра у SPARC.
С помощью ВТСП-магнитов система будет поддерживать магнитное поле на оси 11,4 тесла и электрический ток плазмы 12 мегаампер. Для стабильной выработки электроэнергии реактор будет работать 15-минутными термоядерными импульсами с одноминутными паузами.
Исследование описывает, как конструкция ARC решает основные инженерные задачи магнитного термоядерного синтеза. Для управления интенсивным тепловым потоком в компактной конструкции используется удлинённая двойная диверторная система в верхней и нижней частях токамака. Впрыск небольших количеств неона или аргона охлаждает края плазмы до её отсоединения от внутренних стенок.
«Это означает, что горячая плазма не касается поверхности – происходит «отрыв», то есть создаётся буквальная подушка из относительно холодного газа, которая экранирует стенки от тепла плазмы», – пояснили в компании.
Конструкция также учитывает срывы плазмы, которые могут прекратить её удержание при температуре 150 миллионов градусов Цельсия за миллисекунды и вызвать серьёзные механические нагрузки. Вместо попыток полностью предотвратить срывы, ARC спроектирован выдерживать примерно один срыв в день и быстро перезапускаться. При приближении срыва система впрыскивает неон и водород для безопасного излучения энергии в виде света, а специальный магнит рассеивает опасные электронные пучки.
Моделирование также показывает, что ARC сохраняет стабильность плазмы. Реактор работает в спокойном режиме, избегая сложных магнитно-гидродинамических неустойчивостей, которые обычно ухудшают удержание тепла, поскольку не требует высокого давления плазмы относительно магнитного поля.
Инженеры CFS используют этот симуляционный подход для оптимизации следующих итераций конструкции, подбирая размеры токамака и длину дивертора для улучшения характеристик реактора до начала производства.
