KSTAR

KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) — это южнокорейский экспериментальный термоядерный реактор типа токамак, расположенный в Национальном институте термоядерной энергии (NFRI) в Тэджоне, Республика Корея. Он предназначен для изучения физики высокотемпературной плазмы и отработки технологий, необходимых для создания коммерческих термоядерных электростанций. KSTAR является одним из крупнейших и наиболее мощных сверхпроводящих токамаков в мире, наряду с такими установками, как EAST (Китай) и JT-60SA (Япония).

История

Проект KSTAR был начат в 1995 году как часть национальной программы Южной Кореи по развитию термоядерной энергетики. Основной целью создания установки было получение научных и инженерных данных для участия страны в международном проекте ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Строительство реактора велось с 1998 по 2007 год, а первый запуск плазмы состоялся 15 июля 2008 года. Первоначально KSTAR был рассчитан на проведение экспериментов с длительностью удержания плазмы до 20 секунд, однако в ходе модернизаций этот показатель был значительно увеличен.

В 2010 году на KSTAR был достигнут один из первых значимых результатов — получение режима с высоким удержанием (H-mode) с использованием нейтральной инжекции. В 2016 году установка была модернизирована для работы с полным набором сверхпроводящих магнитов, что позволило увеличить стабильность и длительность разрядов. В 2021 году KSTAR установил мировой рекорд, удерживая плазму с температурой ионов свыше 100 миллионов градусов Цельсия в течение 30 секунд. В 2023 году этот рекорд был улучшен до 48 секунд.

Устройство и конструкция

KSTAR представляет собой токамак — тороидальную камеру с магнитными катушками, в которой удерживается и нагревается плазма. Ключевой особенностью установки является использование сверхпроводящих магнитов, изготовленных из ниобий-олова (Nb₃Sn) и ниобий-титана (NbTi). Это позволяет создавать сильные и стабильные магнитные поля без значительного энергопотребления, что критически важно для длительных экспериментов.

Основные компоненты

• Вакуумная камера: изготовлена из нержавеющей стали, имеет форму тора. Внутри камеры создаётся сверхвысокий вакуум (давление менее 10⁻⁶ Па) для предотвращения загрязнения плазмы.
• Сверхпроводящие магниты: включают 16 тороидальных катушек (TF) и 8 полоидальных катушек (PF), а также центральный соленоид. Магнитное поле на оси камеры достигает 3,5 Тл.
• Система нагрева плазмы: состоит из нейтральной инжекции (NBI) мощностью до 8 МВт, ионно-циклотронного нагрева (ICRF) мощностью до 6 МВт и электронно-циклотронного нагрева (ECRH) мощностью до 1,5 МВт. Общая мощность нагрева может превышать 15 МВт.
• Диагностическое оборудование: включает более 50 различных систем для измерения температуры, плотности, состава плазмы, а также магнитных и электрических полей. Среди них — лазерная томография, спектроскопия, интерферометрия и зондовые измерения.

Сверхпроводящая система

KSTAR использует полностью сверхпроводящую магнитную систему, что является одной из его главных отличительных черт. Магниты охлаждаются до температуры около 4,5 К (−268,65 °C) с помощью жидкого гелия. Это позволяет поддерживать ток в катушках без потерь на сопротивление в течение длительного времени, что необходимо для удержания плазмы в стационарном режиме.

Научные цели и эксперименты

Основные научные задачи KSTAR включают:

• Изучение физики высокотемпературной плазмы: исследование процессов турбулентности, переноса энергии и частиц, а также механизмов, ограничивающих удержание плазмы.
• Разработка режимов с высоким удержанием: отработка H-mode и режимов с внутренним транспортным барьером (ITB), которые могут быть использованы в будущих термоядерных реакторах.
• Тестирование материалов и компонентов: изучение взаимодействия плазмы с первой стенкой и дивертором, испытание новых материалов, таких как вольфрам и бериллий.
• Подготовка к ITER: многие эксперименты на KSTAR направлены на проверку концепций и технологий, которые будут использоваться в ITER, включая методы управления неустойчивостями плазмы и системы нагрева.

Достижения

• 2018 год: впервые в мире на KSTAR была продемонстрирована работа дивертора с «сухим» охлаждением, что позволило увеличить длительность разряда до 90 секунд.
• 2021 год: удержание плазмы с температурой ионов 100 млн °C в течение 30 секунд. Этот результат был достигнут благодаря усовершенствованию системы управления магнитным полем и подавлению неустойчивостей.
• 2023 год: рекорд в 48 секунд при той же температуре. Планируется, что к 2026 году KSTAR сможет удерживать плазму с температурой 100 млн °C в течение 300 секунд.

Применение и значение

KSTAR не является источником энергии — его мощность нагрева значительно превышает выход термоядерной энергии. Однако он служит важнейшей платформой для отработки технологий, которые в будущем могут быть использованы в коммерческих термоядерных реакторах. Результаты, полученные на KSTAR, напрямую используются в проекте ITER, который строится во Франции при участии 35 стран, включая Россию. Кроме того, корейские учёные активно сотрудничают с коллегами из США, Японии, Китая и Европы в рамках международных программ по термоядерному синтезу.

В долгосрочной перспективе успешная работа KSTAR может способствовать созданию прототипа термоядерной электростанции, способной обеспечивать человечество практически неисчерпаемым источником энергии. В Южной Корее разработан план по строительству демонстрационного реактора K-DEMO к 2040-м годам, который будет основан на технологиях, отработанных на KSTAR.

Интересные факты

• Название KSTAR расшифровывается как «Korea Superconducting Tokamak Advanced Research», но также ассоциируется с английским словом «star» (звезда), что символизирует цель установки — воспроизвести на Земле процессы, происходящие в звёздах.
• KSTAR является одним из немногих токамаков в мире, способных работать в полностью сверхпроводящем режиме, что делает его аналогом более крупных установок, таких как ITER.
• В 2022 году на KSTAR была впервые протестирована система искусственного интеллекта для управления плазмой, что позволило автоматически подавлять неустойчивости и увеличивать длительность разрядов.

Источники

• Национальный институт термоядерной энергии (NFRI), официальный сайт проекта KSTAR.
• Отчёты о результатах экспериментов на KSTAR, опубликованные в журналах Nuclear Fusion и Physics of Plasmas.
• Материалы Международной конференции по термоядерной энергии (IAEA FEC), 2021–2023 годы.
• Статья «KSTAR: A Korean Superconducting Tokamak for Fusion Research» в журнале Fusion Engineering and Design, 2008.