Плазма загорелась малиновым и зелёным: как британцы научились управлять материей при 100 миллионах градусов

Мир сделал шаг ближе к мечте о неисчерпаемой, безопасной и чистой энергии. Исследователи из британской компании Tokamak Energy впервые представили цветные изображения плазмы — сверхгорячего состояния вещества, которое питает звёзды. Благодаря новой высокоскоростной камере, снимающей 16 000 кадров в секунду, учёные получили возможность буквально "заглянуть" внутрь термоядерного реактора и увидеть, как ведёт себя плазма при экстремальных температурах.

Эти кадры не только впечатляют своей красотой — они меняют наше понимание работы будущих термоядерных электростанций.

Как поймать звезду

Термоядерный синтез — процесс, который идёт в недрах Солнца и других звёзд. В его основе лежит объединение атомов водорода в гелий с выделением колоссального количества энергии. В лабораторных условиях этот процесс воспроизводится внутри сферического токамака ST40 - уникального реактора, разработанного Tokamak Energy.

Внутри ST40 создаётся плазма — газ, нагретый до десятков миллионов градусов, в котором атомы теряют электроны и превращаются в ионы. Магнитные поля удерживают эту плазму, не позволяя ей разрушить стенки реактора.

Новая цветная камера позволила впервые увидеть, как выглядит это явление. Она зафиксировала ярко-розовое свечение, возникающее при впрыске дейтерия - изотопа водорода, служащего топливом для реакции. Этот свет напоминает неоновую вывеску, только в миллионы раз горячее.

"Цветная камера особенно полезна для таких экспериментов. Она помогает сразу увидеть, где излучаются газы и проникают ли литиевые частицы в ядро плазмы", — говорит физик Лаура Чжан.

Когда в реактор добавляют крошечные гранулы лития, их путь можно проследить по цвету. На холодных краях плазмы литий светится малиново-красным, а ближе к центру, где температура выше, превращается в ион Li⁺ и излучает зеленовато-жёлтый свет, похожий на вспышки фейерверков. Эти зелёные линии двигаются вдоль магнитных полей, словно по невидимым рельсам, помогая учёным понять структуру потоков.

Зачем нужен литий

Литий играет двойную роль. С одной стороны, он улучшает стабильность плазмы, а с другой — защищает внутренние поверхности токамака. Когда гранулы лития испаряются, они оседают на стенках камеры и образуют тонкий защитный слой, который снижает эрозию материалов.

Этот подход был впервые применён в Принстонской лаборатории физики плазмы (США), а теперь стал частью программы модернизации ST40 стоимостью 52 миллиона долларов. Проект, получивший название LEAPS (Lithium Evaporations to Advance PFCs in ST40), реализуется при поддержке Министерства энергетики США и британского Министерства энергетической безопасности.

Кроме того, в реакторе заменили углеродные панели на молибденовые, способные выдерживать экстремальные температуры. Этот металл работает как "броня" космического корабля, продлевая срок службы установки.

Сравнение: что делает ST40 особенным

Почему это важно

Цветные изображения — это не просто эффектные визуализации. Они помогают учёным "в реальном времени" видеть, как плазма взаимодействует с материалами. Эти данные подтверждают результаты спектроскопии — метода, который позволяет анализировать состав и температуру плазмы по излучаемому свету.

Наблюдая за поведением лития, исследователи могут точно определить, как распределяется энергия внутри токамака. Это необходимо для отработки так называемых режимов X-точки (X-Point Radiation, XPR) - способов охлаждать края плазмы, чтобы она не разрушала стенки реактора, сохраняя при этом эффективность синтеза.

"Текущие эксперименты на ST40 дают новое визуальное понимание поведения плазмы благодаря высокоскоростной цветной камере, снимающей 16 000 кадров в секунду", — отмечают в Tokamak Energy.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: полагать, что цветная съёмка — просто эстетика.
  Последствие: недооценка научного потенциала визуализации.
  Альтернатива: использовать изображения как инструмент анализа потоков и диагностики реакций.

• Ошибка: работать с углеродными материалами без покрытия.
  Последствие: быстрое разрушение стенок и загрязнение плазмы.
  Альтернатива: применять молибден и литиевое напыление.

• Ошибка: игнорировать периферийное охлаждение.
  Последствие: потеря контроля над плазмой.
  Альтернатива: использовать режим XPR для баланса температуры и стабильности.

А что если…

А что если компактные токамаки, вроде ST40, обгонят крупные проекты вроде ITER? Эксперты допускают такую возможность. Компактные реакторы требуют меньше материалов и энергии для запуска, а управление ими проще.

А если литий заменить другим элементом? Возможно, но пока ни один материал не показывает такую устойчивость и способность стабилизировать плазму.

А если камера выйдет из строя при экстремальных температурах? Учёные используют оптические волокна и тепловые фильтры, позволяющие снимать даже в условиях, близких к тем, что царят внутри звезды.

Плюсы и минусы использования лития в токамаке

FAQ

Почему именно литий выбрали для экспериментов?
Он лёгкий, химически активный и способен связывать примеси, что стабилизирует плазму.

Что даёт цветная визуализация?
Она показывает, как распределяются потоки и где возникают "горячие зоны", помогая оперативно корректировать параметры реактора.

Насколько безопасны такие эксперименты?
Плазма полностью изолирована магнитными полями, поэтому радиационного риска нет.

Когда можно ожидать коммерческие термоядерные станции?
Эксперты прогнозируют первые промышленные установки к концу 2030-х годов.

Мифы и правда

• Миф: термоядерный синтез — то же самое, что атомная энергия.
  Правда: синтез безопаснее, не создаёт опасных отходов и не может привести к взрыву.

• Миф: плазму можно увидеть невооружённым глазом.
  Правда: для этого нужны камеры с фильтрами и защита от ослепляющего излучения.

• Миф: Tokamak Energy конкурирует с ITER.
  Правда: проекты дополняют друг друга: один исследует масштаб, другой — компактность.

Исторический контекст

Первые токамаки появились в СССР в 1950-е годы и стали основой для всех современных термоядерных установок. Сегодня исследования ведутся по всему миру — от Европы до Китая. ST40 - один из самых продвинутых компактных реакторов, предназначенных для коммерческого применения.

Современные эксперименты с литием и цветной визуализацией — это эволюция идей, заложенных десятилетия назад, и важный шаг к реальному использованию энергии звёзд на Земле.

Три интересных факта

1. Температура плазмы в ST40 в шесть раз выше, чем в ядре Солнца.

2. Литий, применяемый в реакторе, тот же элемент, что используется в аккумуляторах смартфонов.

3. Секунда работы термоядерного реактора может выделить столько же энергии, сколько несколько тонн угля.