Германия провела тестовые пуски экспериментального термоядерного реактора

Реакциями термоядерного синтеза называют реакции слияния ядер легких элементов с образованием ядер более тяжелых. Этот процесс сопровождается выделением колоссального количества энергии, однако для запуска подобных реакций требуются энергетические «вложения», намного превышающие выход.

В природе реакции термоядерного синтеза происходят, например, в недрах звезд при огромных давлениях и температурах. Люди добились протекания реакций слияния ядер при взрыве водородных бомб.

Wendelstein 7-X – крупнейший в мире термоядерный реактор типа стелларатор, и получение тестовой плазмы должно подтвердить возможность использования стеллараторов в промышленном масштабе.

При помощи микроволнового импульса мощностью 1,8 киловатт физики нагрели один миллиграмм газообразного гелия до температуры приблизительно один миллион градусов Цельсия – после чего удержали полученную плазму в равновесии в течение 0,1 секунды.

Выбор гелия для начала запуска обусловлен его относительной по сравнению с водородом легкостью перевода в состояние плазмы. На конец января 2016 года (вторая фаза) намечены испытания с водородной плазмой. После успешного завершения второго этапа экспериментов ученые надеются удерживать водородную плазму в течение десяти секунд. Ожидается, что к моменту окончания третьего этапа время удержания плазмы составит 30 минут.

Реактор, запущенный в немецком Институте физики плазмы Общества имени Макса Планка в городе Грайфсвальд, использует принцип стелларатора. Установка состоит из 50 сверхпроводящих ниобий-титановых катушек около 3,5 метров в высоту и общим весом около 425 тонн, способных создавать магнитное поле индукцией три тесла, удерживающее плазму с температурой 60-130 миллионов градусов Цельсия. Большой радиус плазмы равен 5,5 метра, малый радиус — 0,53 метра. Объем плазмы может достигать 30 кубических метров. Конструкцию защищает теплоизолирующая оболочка - криостат диаметром 16 метров. Строительство W7-X длилось 9 лет и обошлось в сумму около миллиарда евро.

Одной из основных трудностей при разработке подходов к проведению управляемых термоядерных реакций является необходимость поддерживать в стабильном состоянии плазму — ионизированный газ. Именно в таком состоянии находится вещество при температурах, необходимых для запуска термоядерных реакций. На сегодняшний день наиболее перспективным считается использование не стелларатора, а токамака — магнита тороидальной формы. Токамаки должны стать основой экспериментального реактора ITER (ИТЭР), строительством которого будут заниматься ученые из множества стран (хотя в последнее время будущее этого проекта становится все более туманным).

Токамак (сокращенное от “тороидальная камера с магнитным полем”) – замкнутая магнитная ловушка, имеющая форму тора и предназначенная для создания и удержания высокотемпературной плазмы, что позволит осуществить термоядерную реакцию, в ходе которой должна выделиться энергия, значительно большая, чем энергия, затрачиваемая на формирование плазмы.

Многие ученые считают, что в настоящее время токамак - единственная система, способная производить энергию. Реактор Wendelstein 7-X должен продемонстрировать, что стеллараторы также пригодны для использования в качестве электростанций, а решающее преимущество - способность работать непрерывно, в отличие от токамаков, способных работать без вспомогательных устройств только в импульсном режиме.

В термоядерных реакторах плазма удерживается не стенками камер (они просто не способны выдержать необходимую для термоядерных реакций температуру), а специально создаваемым магнитным полем. Однако в токамаке магнитное поле индуцируется комбинировано: при помощи внешних катушек, а также при помощи электричества, протекающего по плазменному шнуру. В отличие от токамака, в стеллараторе необходимая для удержания плазмы конфигурация магнитного поля создаётся токами, текущими исключительно вне плазменного объёма. Подобная конструкция стелларатор-реактора создает среду, в которой плазма обладает высокой стабильностью. Его устройство позволяет избежать возникновения потоков свободных электронов и ионов внутри плазменного шнура, создающих свои собственные магнитные поля, что часто приводит разрушению магнитного поля и потере плазмой температуры в токамак-реакторах. Это, с одной стороны, позволяет использовать стелларатор в непрерывном режиме, с другой – делает его строительство крайне сложным.

Конструкцию стелларатора впервые предложил в 1951 году американский физик Лайман Спитцер. В научных кругах именно стелларатор считался основой для термоядерного реактора, однако затем его потеснила концепция токамака. Идею магнитной термоизоляции плазмы на основе токамака выдвинули советские академики Игорь Тамм и Андрей Сахаров в середине XX века. Они предложили термоизоляцию плазмы с помощью магнитного поля в тороидальной (бубликообразной) камере. Затем Курчатовский научный центр, НИИЭФА совместно с петербургским предприятием энергомашиностроения «Электросила» спроектировали и изготовили целую серию отечественных экспериментальных токамаков. Среди них – токамаки Т-3, Т-4, Т-10, Т-15. Оригинальные установки были поставлены в зарубежные страны.

Россия рассчитывала предложить международному сообществу построить экспериментальный токамак в городе атомных энергетиков на побережье Финского залива рядом с Ленинградской АЭС – в Сосновом Бору (Лениградская область). Однако из-за отсутствия необходимых финансовых ресурсов инициатива так и осталась нереализованной.

Затем площадкой строительства был выбран Кадараш (Франция) с параллельным созданием центра управления проектом в Японии. Главный принцип, который закладывают ученые в проект ИТЭР, — повторение в лабораторных, а затем и в промышленных условиях процессов, происходящих на Солнце: слияние ядер изотопов водорода — дейтерия и трития, которые выгорают, не оставляя радиоактивных отходов, что приводит к образованию химически инертного гелия и сопровождается выделением большого количества энергии.

Реактор, основанный на принципе термоядерного синтеза, не имеет радиоактивного излучения и полностью безопасен для окружающей среды. Он может быть расположен практически в любой точке земного шара, а топливом для него служит обычная вода. В научном проекте ИТЭР участвуют страны Евросоюза, Япония, Китай, Россия, США, Южная Корея и Индия.

Реакция в ИТЭР идет в высокотемпературной плазме — до 150 миллионов градусов Цельсия. При этом на единицу веса термоядерного топлива получается примерно в 10 миллионов раз больше энергии, чем при сгорании органического топлива, и примерно в 100 раз больше, чем при расщеплении ядер урана. Расчетная термоядерная мощность ИТЭР составляет 500 мегаватт. Отдельные детали магнитов достигают веса от 200 до 450 тонн. Для охлаждения ИТЭР потребуется 33 тысячи кубометров воды в день.

Стоимость проекта ИТЭР на первом этапе оценивалась в 5 млрд евро, строительство планировалось завершить к 2018 году. При этом аналогичная сумма потребуется на стадии запуска для демонстрационной эксплуатации в течение десяти лет. На долю Евросоюза приходится 40% финансовых вложений. Шесть остальных стран-участников проекта, включая Россию, обязались инвестировать в форме отдельных элементов установки по 10% каждая.

Россия должна изготовить основное оборудование реактора — 12 ключевых элементов на общую сумму в 500 млн евро. Наиболее наукоемкая и дорогостоящая часть тороидального магнита токамака — это сверхпроводящая магнитная система.