Коли токамак вмикається, в його зміцненому корпусі відбувається щось магічне.

Плазма, що виникає з важкого водню, розцвітає в яскравий рожевий колір, крутячись і звиваючись у донатоподібній камері.

Потім маленькі частинки літію потрапляють у вир, іскряться, як червона фея, перш ніж вибухнути в яскраві зеленувато-жовті спалахи.

Завдяки кольоровій камері високої швидкості ми можемо спостерігати цей процес в дії, коли плазма нагрівається всередині машини ST40, створюючи умови, які майбутні токамаки використовуватимуть для злиття атомних ядер, щоб генерувати енергію термоядерного синтезу, яка одного дня може живити світ.

Але не лише краса цього видовища є дивом.

Термоядерний синтез має ще довгий шлях до практичного застосування, і спостереження за шляхом палаючого літію може допомогти фізикам подолати одну з основних перешкод, з якою стикається ця технологія: як безпечно виводити величезне тепло, що виходить з плазми термоядерного синтезу.

Токамак повинен утримувати плазму при температурах мільйонів градусів, щоб змусити атомні ядра зливатися.

Але це утримання не є простим завданням, і частина величезної енергії, що обертається, неминуче втікає з обмеженої плазми.

Ця енергія повинна кудись йти, тому токамаки спроектовані так, щоб направляти якомога більше цього втікаючого тепла до компонентів, званих диверторами.

В даний час експерименти з токамаком тривають відносно короткий час. Однак у майбутніх електростанціях термоядерного синтезу ці компоненти повинні витримувати величезні теплові навантаження протягом тривалого часу без швидкого руйнування.

Навантаження на дивертор є настільки важливою проблемою, що це один з ключових факторів, що формують дизайн майбутніх електростанцій на основі сферичних токамаків. У експериментах на ST40 дослідники виміряли теплові потоки до 150 мегават на квадратний метр.

Отже, виведення тепла є однією з проблем, які дослідники використовують ST40 для вивчення, включаючи можливість, що сама плазма може допомогти в цьому.

Токамаки, звичайно, були обладнані камерами високої швидкості та високої роздільної здатності майже з моменту їх появи.

Високошвидкісна кольорова зйомка не є зовсім новою: кольорова камера була встановлена на російському токамаку T-11M у 2014 році.

Однак у цій статті зазначено важливу деталь. Хоча вона також відстежувала літій на межі плазми, камера працювала на швидкості 1000 кадрів на секунду – цього було недостатньо, щоб відстежити еволюцію літієвих ниток з часом. Для цього, за їх словами, потрібні швидкості понад 10 000 кадрів на секунду.

Камера, націлена на внутрішню частину ST40, записує на швидкості 16 000 кадрів на секунду.

Ось що вона шукає.

Зазвичай домішки в плазмі, що мчать всередині реактора термоядерного синтезу, можуть створювати значні проблеми, викликаючи швидше радіаційне охолодження, що охолоджує плазму і може заважати умовам, необхідним для термоядерного синтезу.

Але якщо це охолодження відбувається в правильному місці на краю плазми, це може насправді бути перевагою – це може зменшити тепло, що потрапляє на дивертори, в той час як внутрішня частина плазмового тору залишається достатньо гарячою для підтримки умов термоядерного синтезу.

Це ідея експериментального режиму роботи, званого радіатором X-точки, або XPR.

Плазма утримується потужним магнітним полем. X-точка – це область у цьому магнітному полі поблизу дивертора, де магнітне поле формує характерну X-подібну структуру.

Заохочуючи домішки випромінювати енергію навколо цієї області, фізики сподіваються охолодити плазму до того, як вона досягне дивертора, зменшуючи навантаження, яке ці компоненти повинні витримувати, не охолоджуючи ядро, що виробляє термоядерну енергію.

Літій є одним з матеріалів, з якими фізики експериментують, щоб побачити, як це охолодження можна контролювати.

І саме ці вражаючі кольори роблять свою справу.

На перший погляд, кольорова плазма, захоплена камерою, не є найгарячішою частиною ST40. Ядро термоядерного синтезу занадто гаряче, щоб випромінювати видиме світло, яке ми бачимо; натомість камера показує, що відбувається в порівняно холодній плазмі навколо його краю.

Рожеве світло виникає з газу дейтерію, що подається в токамак, який випромінює комбінацію червоних і синіх довжин хвиль.

Коли маленькі частинки літію, розміром з пісок, вперше потрапляють у ці холодні зовнішні області, нейтральні атоми літію збуджуються і світяться яскраво червоним кольором.

Однак, коли літій проникає глибше в гарячу, щільну плазму, його атоми втрачають електрон і стають позитивно зарядженими літієвими іонами. Ці іони Li⁺ випромінюють характерне зеленувато-жовте світло.

І оскільки вони тепер електрично заряджені, літієві іони слідують за магнітним полем, перетворюючи ці яскраві зеленувато-жовті смуги на світлові сліди невидимих ліній поля, що утримують плазму.

Карта температури токамака була б відносно легкою для отримання навіть у чорно-білому варіанті. Те, що кольорова камера дає фізикам, – це спосіб відстежувати різні атоми та іони в різних умовах плазми, виявляючи, куди рухається літій і як глибоко він проникає.

У поєднанні з спектроскопією, яка точно визначає довжини хвиль світла, що випромінюється, високошвидкісні кадри дають фізикам ще один спосіб побачити, чи домішки випромінюють енергію там, де вони хочуть.

Якщо ні, фізики можуть змінити умови і спробувати знову, дізнаючись, як утримувати охолодження там, де вони хочуть – знання, які в кінцевому підсумку можуть вплинути на те, як майбутні реактори термоядерного синтезу позбавляються від свого величезного тепла.

І є ранні ознаки того, що підхід XPR може спрацювати.

У попередніх результатах експериментів на ST40 дослідники повідомляють, що їм вдалося створити радіуючу область, яка переміщається через X-точку і значно охолоджує край плазми. Коли це відбувається, вимірювання показують, що тепло, що досягає дивертора, зменшується.

Дослідники вважають, що велика частина радіації в цих експериментах походила від вуглецю, вибитого зі стінок токамака, а не від навмисно введеного літію. Але експерименти з використанням літію та неону для подальшого зменшення теплового навантаження зараз тривають.

Комп'ютерне моделювання показує, що літій може бути особливо корисним, оскільки його можна зосередити навколо дивертора, де його охолоджуючий ефект потрібен, не дозволяючи йому занадто сильно впливати на продуктивність плазмового ядра.

І Tokamak Energy планує просунути цю ідею ще далі.

ST40 зараз проходить значну модернізацію, щоб замінити свій вугільний захист на молібден, ввести системи для покриття своїх компонентів, що стикаються з плазмою, літієм, і додати нові діагностики для вивчення того, що відбувається на краю плазми.

Після цього, можливо, ми зможемо побачити ще більше вражаючих кольорів, що мерехтять у космосі, несучи з собою інформацію, яка може допомогти наблизити нас до майбутнього термоядерного синтезу.