Commonwealth Fusion обосновала, почему её термоядерный реактор начнёт работать раньше всех

В вопросе запуска первого в мире самоподдерживающегося термоядерного реактора остаётся много неизвестного. Во Франции строится мегапроект ИТЭР, китайцы плодят экспериментальные токамаки, десятки стартапов обещают манну небесную и заключают миллиардные контракты с гиперскейлерами. Но вряд ли сегодня кто-нибудь точно скажет, кто же будет первым в этой гонке за управляемым термоядом. Первыми хотят быть все, включая компанию Commonwealth Fusion Systems.

На днях компания Commonwealth Fusion Systems, выросшая из спин-оффа Массачусетского технологического института, опубликовала в журнале Journal of Plasma Physics пять рецензируемых статей, посвящённых физическому обоснованию собственного проекта термоядерной электростанции ARC. В подробных статьях (примерно по 40 страниц текста с формулами в каждой) описаны расчёты, модели и ключевые инженерно-физические решения будущего реактора.

Реактор и электростанция ARC должны стать следующим этапом после создания демонстрационного токамака SPARC, который строится как компактная установка с мощными магнитами на высокотемпературных сверхпроводниках. Система SPARC готова на 70 %, и после её ввода в строй сразу же начнётся строительство системы ARC, чтобы к 2035 году термояд от CFS стал объективной реальностью.

Платформа ARC будет работать на реакции дейтерия и трития — тяжёлых изотопов водорода. В результате синтеза образуются ядро гелия, нейтрон и выделяется энергия. Гелий частично поддерживает нагрев плазмы, но затем становится «золой», которую необходимо удалять из реактора. Нейтроны и излучение будут нагревать бланкет из расплавленной соли вокруг камеры. Эта соль также содержит литий, из которого под действием нейтронов должен образовываться новый тритий для подпитки реактора. По нынешнему проекту ARC должен выдавать около 1,13 ГВт термоядерной мощности, из которых примерно 500 МВт можно будет преобразовать в электричество. После вычета энергии для собственных нужд станции в сеть будут поступать около 400 МВт.

Работа реактора будет циклической: 15 минут термоядерных реакций будут чередоваться с примерно минутными паузами на перезапуск системы и её быструю очистку. За счёт тепловой инерции система при этом будет продолжать выдавать электроэнергию без резких провалов. Для этого будет реализована классическая схема с паровой турбиной: расплав солей будет кипятить воду, а её пар — вращать турбину генератора.

Одной из главных проблем остаётся устойчивость плазмы: нестабильность магнитных полей способна привести к потере удержания плазмы и повреждению внутренних стенок. Для защиты внутренних поверхностей рабочей камеры планируется использовать вольфрам, а для удаления избытков тепла, гелиевой «золы» и примесей — дивертор, с помощью которого часть вещества будет выводиться из зоны удержания в процессе рабочего цикла реактора. Кроме того, ARC проектируется с заменяемой вакуумной камерой, которую потребуется менять каждые один–два года. Для удобства технического обслуживания рабочая камера будет разделена на две части, что выглядит достаточно сложным инженерным решением.

Разработчики Commonwealth Fusion Systems не скрывают, что часть технических проблем пока не решена и будет проверяться во время испытаний прототипа реактора SPARC. Впрочем, реактор SPARC не предусматривает отвода тепла и съёма мощности, так что ARC тоже станет первопроходцем в ряде прикладных вопросов эксплуатации термоядерного реактора. Физическое обоснование проекта, предложенное научному сообществу, даёт надежду на то, что проект будет реализован в обозримом будущем, а не в 2040-х годах или позже, что, по всей видимости, ожидает проект ИТЭР и не только.