Французский токамак WEST установил новый рекорд — он удерживал плазму с температурой около 50 млн градусов Цельсия в течение 6 минут. Это стало возможным благодаря использованию внутренней облицовки реактора вольфрамом — металлом с чрезвычайно высокой температурой плавления в 3420 °C.

Источник изображение: Токамак WEST/CEA-IRFM

Ранее токамаки (тороидальная камера с магнитными катушками) использовали углеродную облицовку, которая ограничивала время удержания и температуру плазмы. Вольфрам же позволяет достичь более высокой плотности и температуры плазмы, необходимых для поддержания термоядерной реакции. В ходе последнего эксперимента WEST затратил на запуск термоядерной реакции 1,15 ГДж энергии, сообщает издание Quartz.

«Это прекрасные результаты, — сказал Ксавье Литаудон (Xavier Litaudon), ученый из Французской комиссии по атомной энергии (CEA). — Мы достигли стационарного режима, несмотря на сложные условия из-за этой вольфрамовой стенки».

Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (Princeton Plasma Physics Laboratory, PPPL) принимали участие в экспериментах на WEST, используя детекторы рентгеновского излучения для измерения параметров плазмы. По их словам, вольфрамовая среда намного сложнее для работы по сравнению с углеродом, но зато открывает больше перспектив.

До сих пор ни одна установка не могла удерживать столь горячую плазму столь длительное время. А ведь именно температура и время удержания являются ключевыми параметрами на пути к практическому использованию термоядерной энергии. Чем выше температура и чем дольше она поддерживается, тем больше шансов запустить самоподдерживающуюся термоядерную реакцию.

Это достижение имеет важное значение для разработки коммерчески жизнеспособного термоядерного реактора. В отличие от традиционных АЭС, использующих деление ядер урана, в термоядерном реакторе происходит слияние легких атомных ядер с выделением колоссальной энергии. Потенциально это может дать практически неисчерпаемый источник энергии без радиоактивных отходов. Однако на пути к коммерциализации термоядерной энергетики еще стоит много трудностей. Нужно решить проблемы устойчивого удержания плазмы, её нагрева до температур в десятки и сотни миллионов градусов, эффективной передачи выделяемой энергии. Поэтому каждое новое достижение в этой области имеет большое значение.

Интересно, что не так давно рекорд по времени удержания плазмы, в более чем в 100 миллионов градусов в течение 20 секунд, поставил корейский токамак KSTAR, заменив углеродный дивертор на вольфрамовый, который удвоил предел теплового потока реактора.

Хотя практическое применение энергии термоядерного синтеза еще далеко, однако каждое подобное достижение приближает нас к заветной цели — чистому и практически неисчерпаемому источнику энергии, а роль вольфрама в этом может оказаться незаменимой.

В японском городе Нака состоялось торжественное открытие крупнейшего в мире экспериментального термоядерного реактора. В совместном проекте Японии и Европейского союза участвуют более пятисот учёных и инженеров, а также более 70 компаний со всего мира.

Источник изображения: Japan’s National Institutes for Quantum Science and Technology

Целью запуска реактора JT-60SA является изучение возможности использования термоядерного синтеза в качестве безопасного, крупномасштабного и безуглеродного источника энергии. Новая установка должна приблизить учёных к технологии, при которой термоядерная реакция будет вырабатывать больше энергии, чем затрачивается на её запуск. Устройство высотой в шестиэтажный дом размещено в специальном ангаре в городе Нака, к северу от Токио.

Реактор представляет собой тороидальный корпус типа «токамак», в котором удерживается электронная плазма, разогретая до 200 миллионов градусов Цельсия. Реактор JT-60SA должен будет поддерживать работу в течение 100 секунд. Реактор использует сверхпроводящие магниты и имеет самый большой на сегодня объём рабочей зоны в 135 м³. Заметим, что в начале прошлого месяца сообщалось о получении первой плазмы на реакторе JT-60SA, так что нынешний официальный запуск скорее можно считать формальностью.

Данный реактор является предшественником своего старшего брата во Франции, находящегося в процессе строительства Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР). Правда, стройка сильно отстаёт от графика. Но реактор ИТЭР будет куда крупнее японского собрата — объём его рабочей камеры составит 840 м³, а значит плазмы там получится удерживать куда больше и куда дольше.

Конечная цель обоих проектов — заставить ядра водорода объединиться в один более тяжёлый элемент — гелий, высвобождая в результате реакции энергию в виде света и тепла. Аналогичные реакции происходят внутри естественных термоядерных реакторов — звёзд, в том числе нашего Солнца.

Сэм Дэвис (Sam Davis), заместитель руководителя проекта JT-60SA, отметил, что данный реактор «приблизит нас к получению энергии термоядерного синтеза». «Это результат сотрудничества более пяти сотен учёных и инженеров и более 70-ти компаний из Европы и Японии», — отметил Дэвис на торжественном открытии реактора в пятницу.

Комиссар ЕС по энергетике Кадри Симсон (Kadri Simson) заявил, что JT-60SA «самый передовой токамак в мире» и назвал начало его работы «важной вехой в истории термоядерного синтеза». «Термоядерный синтез имеет потенциал стать ключевым компонентом энергетического баланса во второй половине двадцать первого века», — подчеркнул Симсон.

Отметим, что в декабре прошлого года американские учёные из Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса (LLNL) смогли достичь термоядерного воспламенения — самоподдерживающейся реакции термоядерного синтеза, в ходе которой на выходе получается больше энергии, чем было потрачено на её запуск. Но в американской установке, в отличие от ИТЭР и JT-60SA, используется метод, известный как инерционный термоядерный синтез, при котором высокоэнергетические лазеры одновременно направляют пучки энергии в цилиндр размером с напёрсток, содержащий водород. Правительство США назвало полученный результат «эпохальным достижением» в поиске источника неограниченной, экологически чистой энергии и прекращения зависимости от ископаемых видов топлива.

Технология получения энергии из ядерного синтеза находится сейчас на начальном этапе развития, но рассматривается некоторыми учёными как ответ на быстро растущие энергетические потребности человечества. Термоядерный синтез отличается от реакций деления, которые используются в современных атомных электростанциях, тем, что два ядра атомов соединяются, а не делятся. В отличие от реакций деления, термоядерный синтез не несёт в себе рисков катастрофических ядерных аварий. При термоядерном синтезе выделяется гораздо меньше радиоактивных отходов, чем в результате работы современных атомных электростанций.

На пленарном заседании форума «Технопром» вице-президент НИЦ «Курчатовский институт» Александр Благов сообщил о проведении энергетических испытаний модернизированного токамака Т-15МД. Это первая построенная за 20 лет установка такого рода в России. Первая плазма на токамаке получена весной этого года, после чего началось постепенное увеличение мощности установки.

Модернизированная термоядерная установка токамак Т-15МД. Источник изображения: Юлия Бубнова/ТАСС

В чистом виде токамак Т-15МД не может считаться термоядерным реактором. По крайней мере, от него не будут требовать производства энергии. Установка проектировалась и создавалась как мощный термоядерный источник нейтронов. При этом Т-15МД обладает уникальным сочетанием компактности и мощности, что позволит отрабатывать на установке технологии, которые потом найдут применение в масштабных термоядерных проектах. В частности, Т-15МД входит в структуру международного термоядерного проекта ИТЭР (International Thermonuclear Experimental Reactor) и поможет запустить одноимённый реактор в работу, проверяя те или иные аспекты поведения установки и испытывая новое оборудование и материалы.

Физический пуск токамака Т-15МД состоялся в мае 2021 года при участии премьер-министра РФ Михаила Мишустина. Первая плазма на нём, как сообщалось выше, получена весной этого года.

«Сейчас мы его (токамак) дооснастили дополнительными системами нагрева и уже провели первые испытания по энергетическому пуску этой установки. Это очень важное событие с точки зрения развития термоядерный энергетики в нашей стране», — сказал Благов, которого цитирует ТАСС.

Работы по дооснащению токамака продолжаются. В конечном итоге он будет выведен на уровень, необходимый для получения результатов высокого международного значения. Работы по проекту ведёт Курчатовский институт. Конкретно реакторные технологии будут разрабатываться на другой установке — на токамаке с реакторными технологиями, который начали строить на базе Троицкого института инновационных термоядерных исследований. Он должен быть готов к 2030 году.