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, многое 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. 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 реакция термоядерного синтеза в установке, 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.
