Термоядерная энергия это что
Блог об энергетике
энергетика простыми словами
Термоядерная энергия
Если в атомной энергетике используется реакция деления тяжелых ядер, то в термоядерной энергетике используется реакция синтеза легких ядер с образованием более тяжелых. Топливом для термоядерной энергетики могут служить ядра изотопов водорода, в первую очередь тяжелого водорода — дейтерия, а также сверхтяжелого водорода — трития. В результате термоядерного синтеза образуется гелий, а высвобождается в 7-8 раз больше энергии, чем при ядерной реакции деления. Дейтерий входит в состав тяжелой воды, которая содержится в любой воде. В 1 литре природной воды его содержится около 0,04 г, но количество энергии, которое может быть получено при реакции синтеза, эквивалентно тепловой энергии, получаемой при сжигании 500 кг нефти или 700 кг высококачественного угля.
Для осуществления термоядерной реакции нужно нагреть тяжелый водород-дейтерий примерно на 100 млн градусов Кельвина. При таких температурах вещество находится в состоянии плазмы. Основное препятствие в осуществлении управляемого термоядерного синтеза — удержание высокотемпературной плазмы. Одним из методов удержания плазмы является использование сильного магнитного поля, силовые линии которого обволакивают ее со всех сторон. В результате можно получить «клубок» высокотемпературной плазмы, «подвешенный» в вакууме и не взаимодействующий со стенками реактора.
Принципиальная схема реактора типа «ТОКАМАК» со стационарными условиями протекания реакции синтеза показана на рис.1.
Установка имеет тороидальную замкнутую камеру, надетую на ярмо трансформатора. Внутрь камеры выпускается газообразный дейтерий при сравнительно невысоком давлении. С помощью трансформатора в камере наводится ток индукции, который ионизирует газ, превращая его в плазму. Силовые линии, охватывая плазменный виток, сжимают его, а проходящий по витку плазмы ток нагревает ее.
Плазма, разогретая током и сжатая магнитным полем в шнур, удерживается внутри рабочей камеры в результате того, что силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно току индукции и охватывают плазменный виток. Чтобы плазменный виток был устойчивым, на поверхность рабочей камеры надевают магнитные катушки, создающие сильное поле, силовые линии которого направлены параллельно току в плазме.
Рис. 1. Принципиальная схема термоядерного реактора «ТОКАМАК»:
1- ярмо трансформатора; 2 — магнитные катушки; 3 — рабочая камера; 4 — виток плазмы; 5 — теплоизоляция; 6 — обмотка трансформатора; 7 — кольцевая камера; 8 — парогенератор
В результате взаимодействия двух магнитных полей образуется коаксиальное магнитное поле со спиральными линиями, охватывающими шнур плазмы. Энергия реакции термоядерного синтеза (около 80 %) выделяется в виде кинетической энергии образующихся нейтронов и используется для нагрева первичного теплоносителя (лития или гелия) в кольцевой камере, окружающей виток плазмы. Около 20 % общего энерговыделения составляет энергия заряженных частиц. Эту часть энергии используют для получения электроэнергии методами прямого преобразования.
Воспринятая в кольцевой камере теплота передается в парогенераторе рабочему телу — воде; полученный пар второго контура, как и в двухконтурных атомных электростанциях, направляется в паровые турбины для выработки электроэнергии.
Следует отметить, что синтез легких ядер в отличие от реакций деления тяжелых ядер не сопровождается образованием долгоживущих радиоактивных осколков, как в атомном реакторе.
Подробнее о реакторе можно почитать на Википедии.
Источник: Полещук И.З., Цирельман Н.М. Введение в теплоэнергетику: Учебное пособие пособие / Уфимский государственный авиационный технический университет. – Уфа, 2003.
Термояд: как добывают энергию звезд на Земле
МОСКВА, 13 дек — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Крупнейший в мире экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР построен наполовину, сообщил на днях физик-теоретик Бернар Биго (Bernard Bigot), генеральный директор проекта. Испытания с водородной плазмой планируют начать в декабре 2025 года.
На холостом ходу
В 1985 году Михаил Горбачев озвучил мировому сообществу идею построить термоядерный реактор нового поколения. Прошло немало времени, прежде чем появился проект ITER — International Thermonuclear Experimental Reactor. Реализовать его решили на юге Франции, недалеко от Марселя, в исследовательском ядерном центре в городе Кадараш. В 2006 году началась стройка огромной установки высотой с девятиэтажный дом.
На первом этапе токамак будет работать на водороде, потом на дейтерии, чтобы протестировать режимы. Затем в ход пойдет дейтериево-тритиевое топливо, с помощью которого запустят термоядерную реакцию. Реактор планируют включать в режиме «чайника», сеансами по 300 секунд, потом запустят непрерывно.
Вырабатываемые в результате термоядерной реакции быстрые нейтроны станут нагревать воду в бланкетах — особых модулях, которыми токамак выложен внутри. Горячую воду потом сольют в бассейны, где она просто остынет. Питать энергией сеть реактор не будет, ведь он экспериментальный.
Вкладываем мозги и оборудование
По масштабу задач и затратам ИТЭР сравнивают с космическими программами и Большим адронным коллайдером. Его строят 35 стран, из которых семь, включая Россию, — вносят наибольший вклад, они же владеют на равных всеми научными и технологическими результатами проекта. Стоимость установки оценивают в 20 миллиардов евро, большая часть которых идет взаимозачетом в виде поставок оборудования.
В этом году Россия поставила первый из 23-тонных патрубков для вакуумной камеры, рассказал РИА Новости Анатолий Красильников, директор ИТЭР-Центра. На Средне-Невском судостроительном заводе в Санкт-Петербурге изготовили пятую по счету галету для тороидальной катушки магнитного поля. Всего нужно восемь галет, из которых к 2021 году соберут трехсоттонный модуль и водрузят наверху токамака. По словам Красильникова, в уходящем году Россия поставила несколько партий коммутирующего оборудования. Сейчас в Кадараше разгружают последнюю машину с приборами. Поставлять патрубки и коммутирующее оборудование наша страна продолжит и в следующем году. В прошлом российские специалисты изготовили и отправили для ИТЭР множество деталей, в том числе сверхпроводники для катушек.
«ИТЭР — очень сложная конструкция. Все его системы уникальны, потому что создаются впервые», — пояснил Красильников. По его мнению, принципиальных препятствий для проекта нет, что же касается технологических и научных проблем, то их решают. К примеру, российские ученые работают над проблемой срывов плазмы — так называют явление резкого охлаждения топлива и выплеска его на стенку реактора, отчего она может пострадать и даже расплавиться. Это грозит остановкой токамака на многие месяцы для ремонта. «Есть признаки, по которым физики распознают, что в плазме готовится срыв. Методика предсказания срывов и их предотвращения находится в стадии разработки. Ученые из Курчатовского института ведут расчеты моделей разных срывов и воздействий на них, чтобы смягчить. Задача — растянуть срыв плазмы во времени и разбросать по площади, чтобы загасить», — уточнил Красильников.
Предполагается, что в рабочем режиме установка даст 500 мегаватт энергии. Это в пять раз больше, чем она потребит. Если ИТЭР окажется эффективным, в 2040 году он даст старт коммерческому термоядерному реактору DEMO.
Российские физики рассказали о приручении термоядерного синтеза
Российские физики рассказали о приручении термоядерного синтеза
В мире до сих пор нет работающего термоядерного реактора. Это все равно что создать аналог Солнца на Земле, запустив в нем такие же реакции, но в миниатюре, и при этом абсолютно управляемые. О том, каких успехов добились ученые ко второму десятилетию XXI века, есть ли будущее у огромного «бублика» — Международного экспериментального термоядерного реактора — токамака ITER, мы узнали, поговорив с российскими физиками-ядерщиками.
Строящийся во Франции ITER
Страна готовится к запуску большой программы развития термоядерной энергетики. В связи с этим хотелось бы понять, на какие типы реакторов сейчас делают ставку ученые во всем мире и в России.
В отличие от ядерной энергетики, которую человечество «приручило» для мирных целей всего через пять лет после создания и испытания ядерной бомбы, термояд — аналог солнечных реакций — оказался не так прост. Со времени взрыва первой водородной (термоядерной) бомбы в 1953 году прошло уже 68 (!) лет, а конверсии этого вида реакции в гражданскую отрасль так и не произошло. Не получается у людей «зажечь» свое земное «солнце», чтобы питало бесплатной энергетикой весь мир. Ходят, конечно, разговоры, что это просто невыгодно нефтяным магнатам — вот термоядерные технологии и не продвигаются вперед. Но отбросим конспирологию. Тем более что ископаемых запасов углеводородов осталось менее чем на полвека, а потому, как ни крути, надо доводить до ума мирный атом.
Как объединить необъединяемое
Если в ядерных реакциях ядрам урана, плутония, тория выгодней распадаться для запуска цепной взрывной реакции, то при термоядерном варианте, наоборот, балом правит реакция объединения легких ядер изотопов водорода, гелия и бора.
Зачем нам вообще понадобилась термоядерная энергия, если у нас есть уже атомные станции, работающие на принципе распада ядерного вещества? Во-первых, термоядерный синтез более безопасный, во-вторых, перспективный — на земле неисчерпаемые запасы дейтерия, который можно бесконечно добывать в Мировом океане.
Цель — получить «положительный выход», чтобы выделившейся энергии в итоге оказалось больше, чем вы получили от розетки на разогрев той самой плазмы. Реактор должен дать больше, чем взял. И этого до сих пор, за десятки лет работы ядерщиков, не достиг еще никто ни в одной стране мира.
Токамак или дырка от бублика?
Ученые постоянно находятся в поиске. Возьмем, к примеру, изобретенный в России самый традиционный способ получения плазмы — в устройстве под названием токамак (тороидальная, или бубликообразная, камера с магнитными катушками). Кстати, слово «токамак» — это один из немногих русизмов, уже вошедший в обиход ученых всего мира. Плазма в этом реакторе удерживается в торе магнитным полем, не контактируя с материальной стенкой.
По принципу токамака с начала 90-х годов прошлого века создается самый большой термоядерный реактор в мире — IТER. Огромное (площадью около 1 квадратного километра) сооружение на окраине французского города Кадараш стоит почти 20 миллиардов долларов. Россия вносит 10 процентов от этой суммы, но не деньгами. Мы, к примеру, создаем устройства для нагрева плазмы, магнитную систему и прочие необходимые компоненты этого реактора.
Несмотря на большие вложенные средства, самый большой проект, за который многие уже успели получить премии, до сих пор не реализован. Все чаще всплывают какие-то дополнительные проблемы и переносятся сроки запуска. Невольно возникает крамольная мысль: «А может, ученые сговорились и просто обманывают всех?» Вот уж точно: «с этой плазмой дойдешь до маразма. » — как пел Владимир Высоцкий, исполняя «Марш студентов-физиков».
«Никакого обмана здесь нет», — говорят улыбаясь ученые, обещая к 2025 году все-таки запустить международный проект.
Термоядерная гонка
Для того чтобы понять степень сложности проблемы, мы обратились к специалисту — ведущему научному сотруднику Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе в Санкт-Петербурге, заместителю руководителя уникальной научной установки «Сферический токамак Глобус-М» Владимиру Минаеву.
— Владимир Борисович, расскажите, каким был старт термоядерной энергетики?
— В 50-м году академики Андрей Сахаров и Игорь Тамм предложили удерживать плазму в тороидальном магнитном поле, дополнительно пропуская по плазме электрический ток для ее нагрева и стабилизации. В дальнейшем ученые постоянно совершенствовали конструкцию токамаков, улучшая параметры удерживаемой в них плазмы примерно на порядок каждое последующее десятилетие. При этом токамаки неизменно увеличивались в размерах.
К концу 80-х годов были созданы три больших токамака — европейский JET (он находится в графстве Оксфордшир в Великобритании), американский TFTR (Принстон, США) и наш Т-15 (Москва, Курчатовский институт).
Наш Т-15, увы, так по-настоящему и не заработал. Погубили его. передовые для того времени сверхпроводники. Не сами по себе — причина тут чисто экономическая: для охлаждения сверхпроводников нужно было много жидкого гелия, который в то сложное время оказался слишком дорог для российских ученых. Сегодня вместо Т-15 строится новый токамак, без сверхпроводников, который обещают запустить в ближайшее время.
В Великобритании и США же тем временем получили плазму с рекордными параметрами и провели первые эксперименты с использованием дейтерия и трития. Американцы спустя несколько лет утилизировали свою установку, чтобы построить на ее месте новый токамак, — такая у них политика. Но самым большим токамаком в мире на сегодняшний день пока по-прежнему остается JET.
— Каких результатов на сегодняшний день достигли европейские специалисты, работающие на реакторе JET?
— Время удержания плазмы в нем — в пределах секунд при температуре около 100 миллионов градусов и плотности самой плазмы 10 в 20 степени единиц на кубический метр.
— Но до того самого положительного выхода, как я понимаю, ему далеко? Почему так долго не удается запустить полноценную реакцию?
— Не совсем так, в уже упомянутом тритиевом эксперименте на токамаке JET выход термоядерной мощности был сравним с затрачиваемой на ее получение энергией. Тем не менее до коммерческого реактора еще достаточно далеко. В числе причин — отсутствие ряда технологий, ресурс реактора, его размеры. Есть надежда, что в ИТЕРе нам все-таки удастся запустить самоподдерживающуюся реакцию. Кстати, в этом экспериментальном токамаке-реакторе будут использоваться те же сверхпроводники, которые когда-то стояли на нашем Т-15. Они позволят поддерживать поле в магнитных катушках без значительного расхода мощности.
— Легко ли будет остановить реакцию в огромном термоядерном реакторе, если понадобится?
— Конечно, для этого надо будет перестать поставлять в него топливо — дейтерий и тритий, просто перекрыть трубки. Реакция полностью контролируема.
Энергетические сферы
Параллельно с классическими токамаками в конце 80-х стало развиваться еще одно направление — сферических токамаков, форма которых больше напоминала уже не бублики, а пончики или шарики. Первая экспериментальная установка, построенная в Оксфордшире, рядом с JET, показала, что в такой конфигурации лучше удерживается плазма более высокой плотности. После этого интерес к таким установкам проявили в исследовательских центрах во многих странах мира. К 2000 году самыми крупными стали европейская MAST, американская NSTX (ее построили вместо TFTR) и наш «Глобус-М» в питерском Физтехе им. А.Ф.Иоффе. Когда установки были запущены, почти у всех трех была выявлена одна общая проблема — плохо удерживались заряженные частицы с большой энергией. Для исправления ситуации требовалось увеличить магнитное поле. В итоге все три «ушли» на модернизацию до 2016–2017 годов.
Однако после перерыва, в 2018 году, запустить свой токамак удалось только ученым из Санкт-Петербурга. Их обновленный «Глобус» стал называться «Глобусом-М2».
— На сегодняшний день — это самый крупный из работающих сферических токамаков в мире, а также самый крупный работающий токамак в России, — поясняет не без гордости Владимир Минаев.
— И в течение какого времени он удерживает плазму?
— На сегодняшний день время удержания энергии превысило 10 миллисекунд. Конечно, это меньше, чем на большом торе у европейцев, но их показатели нельзя сравнивать из-за небольших размеров нашего «Глобуса», который имеет диаметр всего 36 сантиметров (диаметр JET — около 3 метров).
— Если я правильно поняла, — на нем до зажигания термоядерной реакции не дойти?
— Конечно. На «Глобусе-М2» мы пытаемся проверить правильность выбора сферической формы для термоядерного реактора, понять, будет ли у него преимущество по удержанию плазмы, будет ли он превосходить классический тор по энергозатратам.
— Если вы докажете, что он превосходит тор, то получится, что еще не построенный «классический» токамак ITER — это уже прошлый век?
— Нет, так говорить нельзя. Да, ITER — это, по сути, в два раза увеличенный JET. Но у него будет ряд принципиальных отличий. Прежде всего из-за увеличенных размеров качественно изменятся параметры плазмы. Кроме того, будут впервые испытаны в таком масштабе сверхпроводящая магнитная система, новые системы дополнительного нагрева плазмы и многое другое. Кстати, похожую на ITER установку, но размером с JET — JT-60SA, —делают японцы. И есть подозрение, что у них это получится быстрее, чем у международного консорциума.
Создавая термоядерный реактор на Земле, люди хотят воссоздать аналог реакций на Солнце Фото: nasa.gov
— А вы идете параллельно?
— И да, и нет. Кто в итоге выживет, это пока вопрос. Скорей всего, термоядерный реактор будет построен на базе классического токамака. Уже сейчас прорабатывается проект DEMO, который станет следующим шагом после исследовательского проекта ITER. Но для сферических токамаков может найтись своя ниша, а их коммерческое применение может начаться гораздо раньше.
Гибридные технологии
Как выяснилось, мало нашим физикам-ядерщикам сферической модернизации термоядерного реактора. Сейчас, по словам Минаева, в нашей стране параллельно запускается процесс разработки и создания гибридной электростанции, основанной на термоядерной и ядерной технологиях.
— Наша страна славится достаточно конкурентоспособной атомной промышленностью, — говорит Владимир Борисович. — Вот и возникла идея объединить ее наработки с термоядом.
— В чем будет преимущество этого гибрида? Это позволит эффективней удерживать плазму?
— Дело не только в ней. Мы хотим за счет термоядерных технологий решить проблему с «замыканием» ядерного топливного цикла. Представляете, мы сможем нарабатывать искусственное топливо для атомных реакторов, получать в реакторе энергию, а после дожигать отработанное топливо до безопасного состояния, чего раньше никогда не было. До сих пор мы просто захоранивали ядерные отходы, накапливая их. В целом новая гибридная атомная станция будет значительно безопасней и экологичней. Отсутствие большого количества опасных отходов также позволит повысить экспортный потенциал нашей атомной промышленности. Развивая эту технологию, мы оставим своим потомкам более чистую планету, без залежей ядерных отходов.
— И фокус тут заключается в использовании термоядерной реакции?
— Да. Мы будем использовать термоядерный реактор как мощный источник нейтронов для получения ядерного топлива. При этом параметры плазмы в таком термоядерном источнике нейтронов могут быть существенно ниже, чем в чисто термоядерном энергетическом реакторе, а размеры — существенно меньше, чем у того же ИТЕРа. Следовательно, такой реактор-источник будет значительно дешевле. Но самое главное: реализация гибридной концепции позволит существенно сократить время, требующееся для внедрения уже наработанных термоядерных технологий в коммерческий оборот.
«Зеленый» термоядерный реактор
Плазму можно удерживать не только в тороидальном магнитном поле, как в токамаках, самым большим из которых будет установка ИТЕР в Кадараше. Существует еще и открытый тип реактора — зеркальные ловушки, или, образно говоря, «магнитные бутылки», имеющие на концах магнитные «пробки» или магнитные «зеркала». На концах такого реактора, возле «пробок», магнитное поле сильное, в центре — слабее. Частицы плазмы привязаны к силовым линиям магнитного поля и движутся от одной «пробки» к другой, каждый раз отражаясь от них.
Конструкция такого реактора получается более простой, а значит, дешевой и легкой в сборке.
Но на этом новосибирцы останавливаться не намерены. В планах — скрестить открытую ловушку с ядерным реактором, сделать технологию гибридной (о подобной технологии мы писали выше).
Еще одна очень интересная технология. Ученые новосибирского ИЯФа принимают непосредственное участие в проекте компании Tri Alfa Energy в США, в штате Калифорния. Этот проект, который, если все пойдет по плану, может значительно улучшить имидж атомной энергетики, который несколько пострадал после аварии на Фукусиме. О «зеленом» термояде мы побеседовали с директором Института ядерной физики СО РАН, академиком РАН Павлом Логачевым.
— Если обычная термоядерная реакция основана на синтезе дейтерия и трития с выделением нейтрона, здесь сталкиваются друг с другом протон и бор-11, — рассказывает Павел Владимирович. — В итоге на выходе образуются только три альфа-частицы — ядра гелия и сопутствующее им гамма-излучение. Никаких нейтронов, загрязняющих окружающую среду, при этом нет — только чистая энергия. Правда, протон и бор идут на сближение еще труднее, чем дейтерий с тритием, а потому платой за явные преимущества их «союза» является гораздо более высокая температура зажигания реакции — миллиард градусов Цельсия.
— Миллиард?! Это горячее, чем на Солнце!
— Конечно, если учесть, что на поверхности светила температура не превышает и 6 тысяч градусов.
— Вы упомянули гамма-излучение. Оно разве не вредное?
— Оно гораздо менее вредное, чем нейтроны, которые способны создавать наведенную радиоактивность, пронизывая конструкции реактора, стены здания и все, что в нем находится.
— Но от гамма-излучения тоже придется защищаться?
— Конечно. При строительстве энергетической станции на основе этой технологии вокруг реактора будет построена железобетонная защита, которая обеспечит полную безопасность.
— Какова форма реактора — это уже не тор и не зеркальная ловушка?
— Это, в общем, очень похоже на зеркальную ловушку. Только в центре токи, текущие в плазме, такие мощные, что способны поменять знак магнитного поля реактора. При этом образуется сгусток плазмы, в котором силовые линии магнитного поля замкнуты, и в таком реакторе плазма очень хорошо удерживается.
— За какую часть работы отвечает ваш институт?
— В ИЯФе создается инжектор пучков атомарного водорода большой мощности.
— Для чего он нужен?
— Для «поджига» реакции, это что-то типа зажигалки для разведения огня, в котором плазма нагревается до миллиарда градусов. Кроме того, атомы пучка захватываются в плазме и создают те самые токи, в магнитном поле которых она удерживается. Этот инжектор создает направленный поток нейтральных атомов водорода со скоростью более 10 тысяч километров в секунду и с мощностью до 10 мВт в одном пучке. Именно такие инжекторы мы разрабатываем для проекта Tri Alfa Energy. Такой реактор будет снабжать энергией сам себя, выделяя ее при этом значительно больше.
Какой из описанных реакторов в будущем сыграет основную роль в жизни человечества, покажут ближайшие 10–15 лет. Термоядерная гонка в самом разгаре. Наблюдаем.
Термоядерный синтез все реальнее: MAST, EAST и ITER, дейтерий-тритиевые эксперименты и другие достижения
Термоядерные реакторы существуют десятки лет, но управляемая термоядерная реакция все это время оставалась недостижимой. Она постоянно находилась в ближайшем будущем, ученые говорили: «Через 10 лет, скорее всего, мы достигнем успеха». Но проходило десять лет, и ничего не менялось — по-прежнему публиковались научно-популярные статьи, где говорилось все о том же сроке в 10 лет.
Сейчас, насколько можно судить, мнiогое изменилось — разработчики термоядерных установок достигли действительно заметных успехов. Речь идет как о новых реакторах, так и об уже существующих. В целом, вероятность того, что управляемый термоядерный синтез станет реальностью в течение ближайших нескольких лет, достаточно высокая. Давайте оценим успехи ученых последних лет и посмотрим, что там планируется.
Модернизированный сферический токамак MAST возобновил работу
В конце мая снова начал работу сферический токамак MAST (Mega Ampere Spherical Tokamak). Камера у этой установки не очень большая — диаметр 4 метра. Последние несколько месяцев систему модифицировали, включая оптимизацию систему охлаждения плазмы до ее сброса. Возможно, этот реактор послужит прототипом для небольших, но эффективных систем будущего.
К слову, сам токамак из Британии совсем не нов — его сборка стартовала в 1997 году, а работать он начал два года спустя. Проблемой стал небольшой размер камеры — из-за этого разогретая свыше сотни млн кельвинов плазма разрушала вольфрамовые плитки.
В 2013 году команда поняла, что установку нужно модернизировать. Правительство выделило деньги, около 55 млн фунтов, и началась реконструкция. Завершена она была лишь в октябре 2020 года, после чего последовал период тестирования. Токамак подвергся многочисленным проверкам, и лишь в 2021 году его приняли в эксплуатацию.
В итоге проблемы разрушения плиток удалось избежать. А плазма теперь при сбросе понижает температуру с сотни млн °C до всего 300 °C.
В прошлом году британские физики начали работу над еще одним проектом — токамаком STEP (Spherical Tokamak for Energy Production).
Проект ITER продвигается к завершению
В прошлом году в исследовательском центре Кадараш во Франции стартовало строительство экспериментальной термоядерной установки ITER, реактор начали собирать из подготовленных ранее компонентов. Это масштабный проект, в котором принимают участие специалисты из самых разных стран, включая ЕС, Индию, Китай, Южную Корею, Россию, США и Японию.
Реактор представляет собой цилиндр диаметром 28 метров, высотой 29 метров и весом 23 000 тонн. Размещается система в железобетонном объекте с длиной 120 метров, шириной 80 метров и высотой 80 метров.
Несмотря на некоторые проблемы, проект постепенно продвигается к завершению. Через четыре года разработчики планируют получить первую плазму. В течение десяти лет ученые будут проводить эксперименты, подводя работу к главному результату — получению управляемой термоядерной реакции.
Если все пройдет хорошо, то где-то в 2035 году появятся первые коммерческие реакторы DEMO.
Этим летом (т.е. 2021 г.) проводятся эксперименты с новой смесью для термоядерного реактора ITER. Речь идет о дейтерий-тритиевой смеси, которая будет использоваться в качестве основного «топлива» для реактора». Испытания смеси будут проходить в Великобритании на площадке JET (Joint European Torus — Объединенный европейский токамак).
Этот реактор — работающая модель ITER с размером в 1/10 от размера полномасштабной установки. Если все пройдет хорошо с JET — значит, не должно быть проблем и с его «старшим братом». Эксперименты JET позволят увидеть, как будет вести себя плазма и какие сложности могут возникнуть. В ходе испытаний ученые используют не более 60 гр трития при температуре плазмы в 150 млн К — именно такая температура требуется для старта синтеза.
У JET весьма неплохие показатели — отношение затраченной на разогрев плазмы энергии к полученной энергии составляет 0,67. Для того, чтобы получить коммерческую систему, этот коэффициент, Q, должен быть больше единицы. Для того, чтобы отбить затраты и стать экономически выгодным проектом, Q должен быть равным или превышать 25. Авторы проекта ITER считают, что его Q будет не менее 10.
EAST ставит рекорды
Как уже писали на Хабре, китайским ученым удалось побить рекорд корейцев по удержанию сверхгорячей плазмы. Команда термоядерного реактора EAST смогла добиться невиданных доселе результатов — удержания плазмы с температурой 160 млн К в течение 20 секунд. Плазму с температурой в 120 млн К они удерживали 101 секунду. Это уже очень близко к порогу термоядерного синтеза — речь идет не о долях секунды, а о десятках секунд.
Для того, чтобы началась непрерывная реакция термоядерного синтеза в установке с получением энергии, плазму температурой в 150 млн К нужно удерживать около 300-400 секунд.
EAST — тоже токамак, отличающийся от большинства похожих конструкций наличием полностью сверхпроводящей магнитной системы на основе ниобий-титановых проводников. При этом большой радиус камеры составляет всего 1,7 метра, то есть диаметр даже меньше, чем у британской установки, о которой говорилось выше — 3,4 метра вместо 4. И проблем с разрушением вольфрамовых плиток, насколько можно судить, у китайцев нет.
Стелларатор W7-X
Кроме токамаков, есть и термоядерные установки с иной конфигурацией. Например, стеллараторы. Форма магнитной катушки таких установок как бы повторяет конфигурацию нагретой плазмы, что позволяет не бороться с плазмой, а просто использовать ее особенности.
Установка Wendelstein 7-X (W7-X) — современный стелларатор, построенный по последнему слову термоядерных технологий. Конструкция стелларатора постепенно оптимизируется, в планах создателей — обеспечить работу системы вплоть до 30 минут, что, конечно, гораздо лучше любых рекордов токамаков.
Wendelstein 7-X (W7-X) предназначен, в первую очередь, быть proof of concept, показав жизнеспособность конструкции — получать энергию с его помощью не планируется. К сожалению, из-за пандемии эксперименты с системой отложены минимум на год. Работа возобновится не ранее следующего года.
Осторожный оптимизм
Несмотря на все эти успехи, все равно не стоит считать, что термояд уже у человечества в кармане. Предстоит решить еще очень много проблем, причем в будущем могут возникнуть новые.
Тем не менее, сейчас ученые достигли немалых успехов, изучением возможностей термоядерного синтеза заняты ученые многих стран. Это уже не парочка проектов, как пару десятков лет назад. При этом регулярно появляются новые системы — как токамаки, так и альтернативы.
Китайская установка вселяет уверенность в том, что цели, которые ставят перед собой ученые, будут решены в ближайшем будущем. При этом есть надежда и на ITER с его дейтерий-тритиевым «топливом».
Если W7-X покажет хорошие результаты — кто знает, может, именно стеллараторы вырвут победу, а токамаки останутся позади.
В любом случае, термоядерный синтез привлек внимание не только ученых, но и правительств крупнейших государств мира. И вряд ли это внимание, интерес, ослабнут. Скорее наоборот — будут лишь усиливаться.