В Китае экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST) держал контролируемую реакцию синтеза атомных ядер, разогретую до температуры 70 млн °C, более 17 минут. Если в дальнейшем получится еще увеличить время, то после 2030 года КНР удастся создать термоядерный реактор. О том, сможет ли реактор обеспечить страну практически неограниченным количеством чистой и безопасной энергии, — в материале NEWS.ru.
Китайская национальная ядерная корпорация (CNNC) создала плазменный ток силой более 1 млн ампер (1 мегаампер, МА) и смогла удержать его 1056 секунд (17,6 минуты) при температуре 70 млн °C. Об этом сообщили китайские издания.
«Реактор HL-2A в Юго-Западном институте физики при CNNC в Чэнду отработал в заданном режиме удержания, позволяющем добиться заметного роста температуры и плотности плазмы», — заявили в корпорации.
После этого успешного эксперимента КНР надеется получить практически неограниченный источник энергии уже к началу 2030-х.
Термоядерный синтез — это процесс, когда два легких атомных ядра объединяются в одно более тяжелое ядро, высвобождая большое количество энергии. Синтез происходит в плазме — горячем заряженном газе, состоящем из положительных ионов и свободно движущихся электронов.
Именно благодаря термоядерному синтезу излучают энергию звезд, включая Солнце. Благодаря очень высокой температуре, порядка 10 млн °C, и экстремальному давлению внутри звезды легкие атомные ядра могут разгоняться до такой скорости, что преодолевают взаимное отталкивание и врезаются друг в друга, высвобождая энергию.
Если термоядерный синтез получится запустить в специальных установках на Земле, то люди получат практически неограниченный источник энергии. Этот процесс дает в четыре раза больше энергии на один килограмм топлива, чем АЭС, и примерно в четыре миллиона раз больше, чем сжигание килограмма угля или нефти.
Большая часть термоядерных реакторов предполагает использование дейтерия и трития — атомов водорода с дополнительными нейтронами. Согласно расчетам, из нескольких граммов этих изотопов можно получить тераджоуль энергии. Этого количества хватит гражданину развитой страны с высоким энергопотреблением на 60 лет.
Внутри Солнца очень высокая гравитация, поэтому для термоядерного синтеза хватает температуры в 10 млн °C. Но на Земле условия другие, поэтому для запуска и поддержания реакции дейтерия и трития нужна куда более высокая температура, около 100 млн °C. Нужно одновременно регулировать давление внутри камеры, где происходит процесс, а также магнитные силы, удерживающие так называемый плазменный шнур, чтобы он не коснулся стенок камеры и не расплавил аппарат.
Это необходимо для того, чтобы продлить время реакции и произвести на первых порах хотя бы больше энергии, чем было затрачено для ее запуска. Удержание плазмы в стабильном состоянии — главная задача создателей установок термоядерного синтеза — токамаков. Это слово придумал советский физик Игорь Головин, ученик академика Курчатова. Оно означает «тороидальная камера с магнитными катушками» и считается синонимом словосочетания «установка термоядерного синтеза».
HL-2А — созданная учеными китайского института в Чэнду экспериментальная установка термоядерного синтеза. Первая плазма на этом токамаке была получена в 2020 году. Основная задача — решение критически важных вопросов в ходе создания термоядерных устройств, включая международный проект ИТЭР, создаваемый во Франции. Главные направления исследований — радиочастотно-волновой нагрев, токовая стимуляция, удержание плазмы и физика энергетических частиц в целом.
В токамаке Юго-Западного института физики в 2021 году уже создали температуру 150 млн °C и удерживали реакцию 101 секунду (то есть менее двух минут). В этот раз температура была ниже, зато реакция длилась более 17 минут. В настоящее время HL-2M создает ток плазмы силой более 2,5 мегаампера и бесперебойно работает в условиях более 1 мегаампера.
После ряда проверок китайцы планируют создать коммерческий реактор демонстрационной термоядерной электростанции (DEMO). Он будет функционировать почти непрерывно, а чистый прирост электроэнергии составит более 50 мегаватт (МВт). Ключевая проблема, которую они должны решить, — поддерживать стабильность термоядерной плазмы в течение достаточно длительного времени, чтобы производить энергию на постоянной основе.
«Для установок типа DEMO необходимо разработать и интегрировать сложные элементы и системы, которых нет в существующих экспериментальных термоядерных устройствах. Требуются, в частности, такие элементы, как системы генерации электроэнергии и системы контроля горения. Реакторы DEMO требуют особых материалов, поскольку горящая плазма создает большой поток нейтронов и высокую плотность энергии», — рассказывала Элизабет Сарри, глава отдела технологий Управления по атомной энергии Великобритании.
Сейчас более 50 стран испытывают, строят или планируют строить экспериментальные термоядерные устройства разнообразных конструкций. Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) даже опубликовало специальный доклад «Общемировой обзор термоядерных устройств — 2022». В нем рассматриваются реакторы из Китая, Казахстана, России, США и других стран.
В данный момент в мире действует более 50 токамаков и более 10 стеллараторов (в нем магнитное поле создается внешними катушками). На юге Франции строится крупнейший в мире международный термоядерный реактор ИТЭР. Его сооружение началось в исследовательском центре Кадараш в 2010 году. В проекте участвуют 35 государств: Россия, США, Китай, Индия, Южная Корея, страны Евросоюза, Великобритания и Швейцария.
Цель проекта — провести термоядерную реакцию на мощности 500 МВт в течение не менее 400 секунд непрерывной работы при потребляемой мощности 50 МВт. Согласно планам, первую плазму токамак должен был получить уже в следующем году, а первый запуск дейтериево-тритиевой термоядерной реакции ожидался в 2035 году.
Но два месяца назад было объявлено о переносе запуска ИТЕР из-за задержек поставок оборудования, вызванных ограничениями во время пандемии. Новые сроки запуска обещают назвать в первой половине 2024-го.
Москва продолжает собственные испытания в области термоядерной энергетики. 23 августа Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» запустил модернизированную термоядерную установку токамак Т-15МД, которая позволит создать термоядерный источник нейтронов.
«Мы дооснастили дополнительными системами нагрева и уже провели первые испытания по энергетическому пуску этой установки. Это очень важное событие с точки зрения развития термоядерной энергетики в нашей стране», — заявил вице-президент «Курчатника» Александр Благов.
Глава института Михаил Ковальчук заявил, что была получена плазма, токамак сейчас работает и набирает мощность.
Многие ученые настроены скептически к токамакам. В 2017 году появилась статья «Термоядерные реакторы: не то, чем их называют», опубликованная в 2017 году. Ее автор, Дэниел Джассби, был до 1999-го главным физиком-исследователем в Принстонской лаборатории физики плазмы. В течение четверти века он работал в областях физики плазмы и производства нейтронов, связанных с разработками в области термоядерной энергии.
По мнению Джассби, при получении термоядерной энергии в токамаках будут возникать сильные нейтронные потоки.
«Нейтронные потоки приводят непосредственно к четырем прискорбным проблемам: радиационному повреждению конструкций; возникновению радиоактивных отходов; необходимости биологической защиты; они создают потенциал производства оружейного плутония-239, что усиливает угрозу распространения ядерного оружия», — такого мнения придерживается ученый.
Читайте также:
Термоядерная проблема: как санкции повлияют на международный реактор ИТЭР
В США написали сценарий войны с Китаем. Чем закончится схватка сверхдержав?
Летим на Луну, а потом на Марс: как Россия и Китай будут осваивать космос
