Южнокорейский институт термоядерной энергетики (KFE) сообщил о достижении нового рекорда по времени удержания плазмы реактором KSTAR. К декабрю 2023 года реактор подвергся частичной модернизации, что позволило поднять планку его возможностей. Первые три месяца его работы в новой конфигурации позволили превзойти предыдущий рекорд удержания плазмы с температурой 100 млн °C и приблизиться к новому целевому показателю.

Источник изображения: Korea Institute of Fusion Energy (KFE)

В ходе предыдущей серии экспериментов термоядерный реактор KSTAR смог удерживать ионную плазму с температурой 100 млн °C в течение 30 секунд. Это в семь раз жарче, чем в ядре нашего Солнца. В звёздах термоядерную реакцию синтеза в основном запускает не температура, а высочайшая гравитация (и квантовая неопределённость). На Земле мы не может создать подобного гравитационного сжатия в реакторах, поэтому приходится компенсировать эту нехватку запредельными температурами.

Важно подчеркнуть, что корейцы практически всегда говорят о нагреве ионной плазмы — о нагреве атомов водорода или его изотопов, тогда как китайские учёные сообщают о достижении рекордного времени удержания обычно электронной плазмы, которая в рабочей зоне может быть в два раза горячее ионной. Для термоядерной реакции ключевым является нагрев атомов, а не электронов. Поэтому «корейские 100 млн» — это правильные 100 млн, которые, в итоге, определят работоспособность будущих коммерческих реакторов.

По плану в этом году модернизированный реактор KSTAR должен удержать стабильную ионную плазму с температурой 100 млн °C в течение 50 секунд. В ходе первого пробного запуска плазма оставалась стабильной 48 с. Также учёные смогли 100 секунд удерживать плазму в «высокоплотном режиме», что также поможет выйти со временем на коммерческие параметры. Повысить длительность удержания плазмы на максимальной температуре помогла модернизация реактора.

В частности, углеродные плитки температурной защиты дивертов на дне рабочей камеры были заменены на вольфрамовые. Сообщается, что благодаря этому плитки диверторов нагрелись всего до 25 % от прежнего уровня, что позволит ещё дольше удерживать непрерывный цикл плазмы. Так что впереди новые рекорды и планы зажечь плазму на 300 секунд в 2026 году.

Компания RocketStar сообщила, что создала и протестировала инновационную электрическую двигательную установку FireStar Drive для космических аппаратов, которая использует усиленные термоядерным синтезом импульсы плазмы. Предложенное решение значительно повышает производительность базовой импульсной установки RocketStar на водяном топливе. Прототип двигателя создан, испытан на земле и готовится к испытаниям в космосе.

FireStar Drive M1.5. Источник изображения: RocketStar

Созданный ранее в компании базовый двигатель генерирует высокоскоростные протоны за счет ионизации водяного пара. Когда эти протоны (полученные от водорода) сталкиваются с ядром атома бора, возникает реакция синтеза, в ходе которой атом бора превращается в высокоэнергетическую форму углерода, которая быстро распадается на три альфа-частицы. Это так называемая безнейтронная реакция синтеза, которая не создаёт сильного радиационного излучения и поэтому установку намного проще экранировать.

Бор вводится в реактивную струю газов — выбросов из работающего плазменного двигателя FireStar Drive — и в процессе реакции синтеза как бы переводит двигатель в режим форсажа или, проще говоря, значительно увеличивает тягу базового импульсного плазменного двигателя.

Компания RocketStar работает по ряду программ МО США (SBIR, AFWERX и других). Во время первого этапа работ в зону выхлопа экспериментального импульсного плазменного двигателя была введена борированная вода. Это привело к образованию альфа-частиц и гамма-лучей — явных признаков реакции ядерного синтеза. Позже совместно со специалистами лаборатории High Power Electric Propulsion Laboratory (HPEPL) в Атланте было показано, что двигатель не только создавал ионизирующее излучение, но также увеличивал тягу базовой двигательной установки на 50 %.

Созданный в компании двигатель FireStar доступен для отправки заказчикам. Он называется M1.5 и будет продемонстрирован в космосе в качестве полезной нагрузки на спутнике-носителе OTV ION компании D-Orbit, который будет отправлен в космос в ходе очередных «пакетных» миссий SpaceX Transporter в июле и октябре этого года.

«Мы очень рады возможности работать бок о бок с RocketStar и внести свой вклад в демонстрацию M1.5, — сказал Маттео Лоренцони, руководитель отдела продаж D-Orbit. — Мы только что интегрировали двигатель на спутник-носитель ION и с нетерпением ждём возможности увидеть его работу на орбите».

Планы по испытанию двигателя FireStar включают дальнейшие наземные проверки в этом году, а также ещё одну демонстрацию в космосе, запланированную на февраль 2025 года в качестве полезной нагрузки на космическом аппарате Rogue Space System Barry-2.

Британская компания First Light Fusion стала первым коммерческим клиентом, получившим допуск для экспериментов на установке Z Machine в Сандийских национальных лабораториях (SNL). Компания First Light Fusion разработала уникальный «ускоритель» давления для запуска термоядерных реакций и эксперименты на американской установке позволили испытать платформу на недостижимых ранее уровнях давления.

Источник изображения: Sandia

Принцип запуска термоядерной реакции на платформе First Light Fusion базируется на создании таких условий вокруг топливной мишени, при которых более лёгкие атомы преодолевают кулоновское отталкивание и сливаются с образованием более тяжёлых, отчего выделяется много энергии. В токамаках, например, для этого создаётся температура свыше 100 млн °C. Но можно пойти другим путём, и в частности обойтись без магнитного удержания. Для этого придумано инерционное удержание, когда вокруг топлива создаётся запредельное давление, к примеру, тем или иным ударным воздействием.

Установка Z Machine (Z-Pinch) в Сандийских лабораториях считается самой мощной импульсной электрической установкой такого типа в мире. В Европе тоже есть подобное устройство — Machine 3, но оно значительно слабее по характеристикам. Британцам нужно было выйти на более высокий уровень, чтобы подтвердить характеристики фирменного «ускорителя» давления. При пиковой мощности в 80 трлн ватт американская установка с помощью электромагнита запускает снаряды с более высокими скоростями, чем любая другая установка в мире.

Компания First Light Fusion получила или купила право на три выстрела. Всего Z Machine в Сандийских лабораториях делает около 200 выстрелов в год. Успешный первый эксперимент First Light установил новый рекорд давления для кварца на сандийской установке, повысив его с 1,5 терапаскаля (ТПа) до 1,85 ТПа, сохранив при этом образцы и обеспечив условия для проведения необходимых измерений. Испытания подтвердили верность используемых теоретических моделей и конструкции прототипа системы поджига.

Интересно, что около года назад компания First Light Fusion подписала с Управлением по атомной энергии Великобритании (UKAEA) соглашение о проектировании и строительстве объекта для размещения нового демонстратора Machine 4. Начало строительства было намечено на 2024 год на территории кампуса Кулхэм в Оксфордшире. Начало эксплуатации установки ожидается в 2027 году. Вряд ли получение допуска к экспериментам на Z Machine в США отменило предыдущий проект. Обуздание термоядерной энергии — это дело муторное и долгое. К этому принято двигаться, выверяя каждый свой шаг.

Добавим, установка Machine 4 компании First Light Fusion будет передавать топливной мишени энергию за счёт удара разогнанного до скорости 60 км/с кварцевого снаряда. При попадании в мишень уникальный «ускоритель скорости» компании разгонит продукты удара до 200 км/с и сфокусирует их на топливной мишени в виде обжимающих мишень сферических волн. Комбинация кинетического и лазерного удара обещает значительно снизить энергопотребление термоядерной установки. Впрочем, Machine 4 тоже станет проверкой концепции, от которой до настоящей термоядерной установки будет очень и очень далеко.

В серии из шести научных статей в мартовском выпуске журнала IEEE Xplore учёные Массачусетского технологического института рассказали о разработке и принципах работы новых электромагнитов на основе высокотемпературной сверхпроводимости. Эта разработка названа крупнейшим за последние 30 лет прорывом в области создания коммерчески выгодных термоядерных реакторов.

Источник изображений: MIT

Первые испытания масштабного прототипа высокотемпературного сверхпроводящего электромагнита состоялись 5 сентября 2021 года в лабораториях Центра науки о плазме и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института (PSFC). Изделие массой около 9 тонн создало электромагнитное поле силой 20 тесла. Конструкция электромагнита была создана с нуля с использованием новых принципов и масштабные испытания должны были подтвердить правильность расчётов, моделей и самой идеи, которая на тот момент была крайне новаторской.

До появления этой разработки существующие на тот момент технологии и электромагниты уже могли создавать поля необходимой напряжённости, чтобы удерживать нагретую до 100 млн °C плазму в изоляции от стенок рабочей камеры. Однако эффективность работы подобных систем была далека от требований рентабельности. Учёные из MIT с коллегами из компании Commonwealth Fusion Systems смогли создать намного более компактные и дешёвые в производстве и поддержке электромагниты, которые позволили заявить об их впечатляющей энергоэффективности.

«За одну ночь это практически изменило стоимость ватта термоядерного реактора почти в 40 раз», как позже заявили участники эксперимента. «Теперь у термоядерного синтеза есть шанс, — утверждают учёные. — Наиболее широко используемая конструкция для экспериментальных термоядерных устройств, получила шанс стать экономичной, потому что у вас появились скачкообразные изменения в этой области». Это способность значительно уменьшить размер и стоимость объектов, которые сделали бы возможным термоядерный синтез.

Один из секретов успеха новой конструкции электромагнитов стал отказ от изоляции проводов в обмотках катушек. В это трудно поверить, но учёные использовали в обмотке голые провода без опасений пробоев и коротких замыканий. Эффект сверхпроводимости создал в обмотках такие условия, что замыканием между витками можно было пренебречь. Эксперимент подтвердил правильность выбора. Катушка электромагнита осталась надёжной и стала гораздо меньше в размерах, а также по стоимости и с точки зрения общего размера реактора.

В качестве обмотки был выбран высокотемпературный сверхпроводник REBCO — это редкоземельный оксид бария-меди, который позволяет достигать сверхпроводящего эффекта при температуре 20 К — это на 16 К выше обычной сверхпроводимости, что меняет правила игры несмотря на кажущуюся небольшую разницу в глубине охлаждения. На один электромагнит ушло 300 км полосы REBCO. Только представьте, сколько экономии пространства в катушке стало возможным благодаря отказу от изоляции этого провода. Кстати, в MIT не назвали поставщика этого провода, поэтому им вполне может оказаться китайский производитель Shanghai Superconductor, например.

Позже во время испытаний магнита на критических режимах были проверены теоретические модели его поведения вплоть до частичного разрушения (расплавления обмотки). Это было важно для улучшения конструкции и отработки эксплуатационных характеристик электромагнитов для использования в будущих термоядерных реакторах. Выход сегодня статей по разработке стал возможным после получения патентов на конструкцию электромагнитов и принципы их работы. Исследование приближает тот момент, когда на Земле может зажечься рукотворное Солнце, а энергия в электросетях станет бесконечной и практически чистой.

Европейский термоядерный реактор Joint European Torus (JET) в британском Оксфорде установил новый мировой рекорд по объёму выработанной энергии в одном цикле реакции синтеза. Установка работала рекордные 6 секунд и произвела за это время 69,26 мегаджоулей тепловой энергии. Новый эксперимент стал очередным доказательством того, что проект ИТЭР будет успешным, поскольку токамак JET — это его уменьшенная копия.

Внутри рабочей камеры термоядерного реактора. Источник изображения: Christopher Roux (CEA-IRFM)/EUROfusion

Установка JET была построена совместным усилием нескольких европейских стран 40 лет назад. В собственность британской UKAEA она перешла в октябре 2021 года, поскольку Великобритания вышла из ЕС. Около двух месяцев назад JET прекратил работу и будет демонтирован. За всё время термоядерный реактор создал свыше 100 тыс. импульсов с запуском термоядерной реакции синтеза.

Как и в будущем термоядерном реакторе проекта ИТЭР, и в будущей первой термоядерной европейской электростанции DEMO, в реакторе JET используется дейтерий-тритиевое топливо в соотношении 50/50. Это означает, что все реакции в JET и методы контроля над плазмой и формой её жгута в «пончике» рабочей камеры будут проходить одинаково с учётом, конечно, разных масштабов. На опыте JET учёные научились создавать ровную кромку плазмы без срывов на стенки сосуда, что даст возможность реактору ИТЭР работать максимально устойчиво с самой первой плазмы.

Реактор JET исчерпал свои возможности. Плазму в его рабочей камере удерживают обычные электромагниты с обмоткой из медной проволоки (в составе ИТЭР будут сверхпроводящие магниты). Он просто не сможет работать с большими энергиями. В своём прощальном эксперименте он за 6 секунд сжёг 0,21 мг дейтерий-тритиевого топлива, разогрев плазму до 150 млн °C и выработав рекордный объём энергии за один сеанс. Кстати, в 20 раз больше, чем на американской установке NIF в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, о чём европейские учёные упомянули в пресс-релизе.

Но надо сказать, эксперимент в JET не дошёл до самоподдерживающейся термоядерной реакции. Затраченной энергии было намного больше, чем получено в ходе реакции синтеза. В этом плане американцы оказались впереди планеты всей, хотя тоже с массой оговорок. В целом, наука об управляемом термоядерном синтезе в земных условиях медленно, но верно движется к своей цели — зажечь на Земле рукотворное солнце и получить бесконечный источник чистой энергии.

В последние дни уходящего года в Китае были созданы две сверхструктуры для ускорения движения к практическому использованию энергии термоядерного синтеза. Речь идёт не столько о науке, как о коммерческих решениях ближайшего будущего. Если графики работ будут соблюдены, к 2035 году в Китае начнёт работать прототип промышленного термоядерного реактора, а к 2050 году термоядерные электростанции будут строиться по всей стране.

Источник изображения: China National Nuclear Corporation

В Китае 29 декабря 2023 года состоялась церемония учреждения государственной компании China Fusion Energy Inc. Она объединит исследования и разработки в области термоядерной энергетики в Китае, которые ранее были распределены между исследовательскими институтами и частными фирмами. Одновременно с этой структурой был создан консорциум из 25 организаций во главе с Китайской национальной ядерной корпорацией (CNNC). Консорциум будет решать ряд фундаментальных проблем, мешающих практическому освоению энергии термоядерного синтеза.

Создание столь мощных организаций и передача в их руки всех ранее разрозненных ресурсов даёт понять, что центральные власти Китая считают переход к термоядерной энергетике ключевым в промышленности и экономике. Для решения финансовых вопросов также был создан соответствующий фонд. Участниками консорциума стали не только профильные научные организации, но также такие государственные компании, как China Aerospace Science and Industry Corporation и State Grid Corporation of China. Для понимания масштаба усилий — это примерно как если бы под эгидой «Росатома» термоядерной проблематикой также начали бы заниматься РАО ЕЭС и «Ростех».

Согласно опубликованной CNNC информации о встрече, 13 членам новоиспечённого консорциума было поручено решить первый набор из 10 задач, которые касаются таких вопросов, как высокотемпературные сверхпроводящие магниты, материалы для термоядерных реакторов и высокопроизводительные накопители энергии. В первом приближении, если говорить о планах новых структур, Китай намерен построить промышленный прототип термоядерного реактора к 2035 году и внедрить технологию для крупномасштабного коммерческого использования к 2050 году.

Основной научный и экспериментальный задел предоставят две научные организации Китая: Юго-Западный институт физики (SWIP), расположенный в городе Чэнду на юго-западе Китая, и Институт физики плазмы (IPP) при Академии наук Китая в провинции Аньхой.

Китай позже всех включился в гонку за термоядерной энергией, но он быстро навёрстывает упущенное. Так, с 2011 по 2022 год именно Китай подал больше патентов в области термоядерного синтеза, чем любая другая страна.

Летом 2023 года термоядерный реактор HL-2A впервые сгенерировал плазму с током силой более 1 млн ампер в режиме улучшенного удержания, а экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST), разработанный Институтом физики плазмы в Хэфэе (провинция Аньхой) стал первым в мире полностью сверхпроводящим токамаком. В конце 2021 года он стал первым в своем роде, способном работать с длительностью импульса 1056 секунд. Есть и другие достижения, которые позволяют китайским учёным надеяться первыми в мире освоить практический термоядерный синтез — зажечь на Земле «искусственное Солнце».

В декабре прошлого года после десятилетий опытов учёные в США впервые добились положительного выхода энергии в процессе термоядерной реакции синтеза с помощью лазерного зажигания. В текущем году эта операция была повторена трижды и каждый раз с превышением энергии выхода над затраченной. Повторяемость стала лучшим доказательством того, что учёные находятся на правильном пути и добьются ещё большего успеха в будущем.

Источник изображения: LLNL

Сегодня наиболее перспективными термоядерными реакторами считаются токамаки — реакторы с камерой в виде пончиков. Это предопределило выбор проекта для строительства первого масштабного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР во Франции. Но есть и другие способы запустить термоядерную реакцию. Например, с помощью лазеров, если их энергию в достаточной мере сконцентрировать на топливе. В конечном итоге нам надо заставить атомы водорода преодолеть кулоновское отталкивание и сблизиться для начала взаимодействия. Выбранные для этого методы и энергии остаются на выбор экспериментаторов. Это может быть гравитация, температура или излучение.

Внешний вид мишени — хольраума

Установка National Ignition Facility (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса (LLNL) использует 192 лазера, направленных на мишень с топливом. Топливная таблетка размером меньше перчинки помещается в специальный сосуд — хольраум. Лазеры ударяют в стенки хольраума и возбуждают в них рентгеновское излучение. Топливо находится в оптическом центре рентгеновских и лазерных лучей. Концентрация энергии в сочетании с ударными и инерционными явлениями достигает такого значения, что ядра в топливе начинают сливаться и выделять энергию.

Для извлечения из всего этого практической пользы получаемая на выходе энергия синтеза должны быть выше уровня энергии, затраченной на зажигание. Впервые этого удалось добиться в декабре 2022 года. На мишень упало 2,05 МДж энергии, а в результате реакции учёные получили 3,15 МДж. В то же время необходимо понимать, что на накачку лазеров и поддержку всего оборудования установки ушло на пару порядков больше энергии. Установка лишь показала, что положительный выход возможен на уровне реакции.

Установка NIF

Опыт был повторен 30 июля этого года. Значение энергии на выходе достигло 3,5 МДж (по другим данным 3,88 МДж). Это доказало, что декабрьский результат не был случайностью. Затем учёные ещё раз повторили реакцию в октябре и ноябре. Можно даже сказать, что термояд стал для них рутиной. Однако в каждом случае происходит набор данных по течению реакции и настройкам установки, что даёт ценный опыт для практического улучшения как установки, так и процесса.

Уже второй опыт показал, что КПД реакции на комплексе NIF может быть улучшен. В конечном итоге к бесконечной и чистой термоядерной энергии можно будет прийти и по этой дороге, а не только по пути токамаков.

Группа учёных из Висконсинского университета в Мадисоне нашла возможность уменьшить размеры рабочих зон термоядерных реакторов. Исследователи испытали особое напыление для внутренних стенок камер реактора, которое не только лучше отводило тепло, но также связывало нейтральные атомы водорода в плазме — источник снижения мощности плазменного шнура и путь к преждевременному прекращению реакции.

Источник изображения: University of Wisconsin-Madison/Николай Яловега (в центре снимка)

«Эти нейтральные частицы водорода вызывают потери мощности в плазме, что делает очень сложной задачу поддержания горячей плазмы и создания эффективного небольшого термоядерного реактора», — поясняет руководитель группы Николай Яловега, научный сотрудник в области ядерной инженерии и инженерной физики Висконсинского университета в Мадисоне (UW–Madison).

Для решения указанной проблемы команда Яловеги в качестве тугоплавкого покрытия внутренних стенок реакторной зоны испытала холодное напыление танталом. Частицы этого тугоплавкого металла распылялись и расплющивались до состояния блинов на поверхности нержавеющей стали. Такое нанесение не создавало сплошной слой металла, а оставляло границы по контуру каждой капли. Именно эти пограничные участки, как оказалось, очень легко связывали нейтральный водород, если его атомы вылетали из плазменного шнура.

Более того, выработавшую свой ресурс поверхность стенки с танталовым напылением не нужно было затем выбрасывать или перерабатывать, а вместо неё устанавливать новое изделие. Простой нагрев восстанавливаемого участка до сверхвысоких температур высвобождал захваченный водород, и элемент конструкции камеры снова был готов для работы в реакторе. Такое решение, очевидно, заметно облегчит и удешевит ремонт термоядерных реакторов. Наконец, технологически простое напыление позволит на месте ремонтировать внутренние стенки реакторной зоны.

«Создание композита из тугоплавкого металла с такими характеристиками, как хорошо контролируемое обращение с водородом в сочетании с эрозионной стойкостью и общей упругостью материала, является прорывом в разработке плазменных устройств и систем термоядерной энергетики», — сказал второй автор работы Оливер Шмитц. — Особенно интересна перспектива замены сплава и включения других тугоплавких металлов для улучшения композитных материалов для ядерного применения».

Свою разработку исследователи испытали на университетской установке WHAM (Wisconsin HTS Axisymmetric Mirror). Установка является также испытательным полигоном для проектирования термоядерной электростанции, чем на проекте занимается компания Realta Fusion, созданная выходцами из университета.

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.

Японская компания NTT переработала основанный на алгоритмах искусственного интеллекта инструмент, который первоначально использовался для мониторинга телекоммуникационных сетей, и адаптировала его для прогнозирования аномалий в термоядерных реакторах.

Источник изображения: Lukas / pixabay.com

NTT ведёт работу совместно со специалистами проекта ИТЭР — стороны сотрудничают с мая 2020 года. Японские специалисты считают, что систему искусственного интеллекта DeAnoS (Deep Anomaly Surveillance) можно будет использовать для мониторинга термоядерной установки ИТЭР — она будет предотвращать отказы в работе оборудования и способствовать «гладкой экспериментальной работе».

Бесперебойная работа имеет жизненно важное значение для термоядерных реакторов, поскольку они должны функционировать при температурах в сотни миллионов градусов Цельсия. Сбой может повредить оборудование или вызвать другие проблемы, способные привести к простоям на несколько дней или недель. DeANoS помогает обнаруживать неисправности реактора и оценивает аномалии, после чего проводит анализ их влияния на работу, основываясь на долгосрочных данных.

В совместном проекте NTT будет обеспечивать работоспособность и достоверность сигналов DeANoS, а специалисты ИТЭР станут предоставлять эксплуатационные данные и обеспечивать среду для тестирования. Если испытания пройдут удачно, сфера применения системы расширится.

В установках термоядерного синтеза имитируются процессы, которые питают Солнце — для них необходима плазма при чрезвычайно высоких температурах, которая удерживается в мощном магнитном поле. Эта технология позволит производить чистую энергию без рисков, характерных для другой технологии — ядерного деления. Запуск главного термоядерного реактора ИТЭР запланирован на 2025 год.

Крупнейший в мире термоядерный реактор получил первую плазму. Это установка JT-60SA, которая создавалась для помощи в отработке термоядерных технологий международному проекту ITER. Высота рабочей камеры JT-60SA всего вполовину меньше высоты камеры реактора ITER, что делает эксперименты на японском реакторе достаточно ценными для приближения успеха международного проекта.

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

Термоядерный реактор JT-60SA был заново построен на месте старого реактора JT-60. Он стал больше, а магниты были заменены на сверхпроводящие. Это позволит ему удерживать плазму в самом большом на сегодня в мире объёме рабочей зоны в 135 м³. В реакторе ИТЭР, отметим, объём рабочей камеры составит 840 м³.

Обслуживающие реактор JT-60SA специалисты пока не сообщили о параметрах полученной в реакторе плазмы. В идеальном случае её температура (очевидно, речь об электронной плазме) должна дойти до 200 млн °C. В таком случае для запуска термоядерной реакции температура ионной плазмы должна достичь 100 млн °C. В таком состоянии реактор JT-60SA должен будет поддерживать работу в течение 100 секунд.

Получение первой плазмы на реакторе JT-60SA как на уменьшенной копии реактора ITER свидетельствует о правильном выборе конструкции и стратегии международного проекта. Реактор JT-60SA уже помог специалистам ITER, хотя далось это немалой кровью. В 2021 году во время пробного запуска JT-60SA в катушке одного из сверхпроводящих магнитов возникло короткое замыкание, что почти на три года отсрочило начало работы установки. Длительный и дорогой ремонт JT-60SA заставил инженеров ITER с повышенным вниманием отнестись к магнитам своего реактора помимо решения текущих проблем.

Эксперименты на JT-60SA позволят лучше подготовиться к запуску реактора во Франции. На последующих этапах пути этих реакторов разойдутся. Японский реактор может работать только на дейтериевом топливе, тогда как реактор ИТЭР со временем сможет перейти на более эффективное дейтерий-тритиевое топливо. Тем не менее, эксперименты на JT-60SA позволят японцам разработать собственную термоядерную электростанцию — проект DEMO, которую они намерены построить к 2050 году. А пока тон в отрасли задают китайцы, опытные термоядерные реакторы которых разогревают плазму до температур свыше 100 млн °C на сотни секунд.

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.

Немецкая компания Marvel Fusion и американский Университет штата Колорадо (CSU) объявили о частно-государственном партнёрстве для строительства на территории кампуса CSU Foothills исследовательского комплекса стоимостью $150 млн по созданию мощных лазеров для термоядерного синтеза. Работы на установке NIF в Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса доказали осуществимость и перспективность таких реакций и стали примером для подражания.

Источник изображения: Pixabay

Компания Marvel Fusion создана в Мюнхене в 2019 году. Она вобрала в себя ряд лучших европейских специалистов по вопросам термоядерного синтеза. В Европейском союзе в рамках проекта Extreme Light Infrastructure (ELI) давно создаётся и эксплуатируется сеть лабораторий с мощными лазерами, поэтому недостатка в опытных научных сотрудниках нет. Компания Marvel Fusion обещает предоставить американским партнёрам весь свой опыт в сфере лазерного зажигания термоядерных реакций, и дальше будет развивать эту тему вместе с ними.

Университет штата Колорадо тоже может похвастаться высоким научным потенциалом и опытом исследований в сфере лазерных технологий. Новый комплекс планируется создать рядом с лабораторией Advanced Beam Laboratory, построенной в 2013 году на территории кампуса. В новом комплексе зданий будет создано не меньше трёх лазеров мощностью до нескольких петаватт каждый с частотой зажигания десять раз в секунду. Технология Marvel Fusion предполагает, что для создания непрерывной и самоподдерживающейся термоядерной реакции в зону для мишени топливо будет подаваться с заданной периодичностью в виде таблеток. Это позволит гибко управлять рабочей мощностью термоядерного реактора на основе лазерного зажигания.

Университет и компания Marvel Fusion также принимают участие в ряде проектов по американской программе LaserNetUS, которую, со своей стороны, бюджетными средствами поддерживает Министерство энергетики США. Это позволяет партнёрам рассчитывать также на государственную помощь в их работе. Термоядерная энергия обещает бесконечную и чистую энергию и чем больше путей и первопроходцев движутся к этой цели, тем скорее будет результат.

Учёные из Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса (LLNL) сообщили, что на установке National Ignition Facility (NIF) повторно получена реакция термоядерного синтеза, которая произвела больше энергии, чем было затрачено на её запуск. Более того, планка высвобождаемой при этом энергии ощутимо превысила предыдущий рекорд при той же мощности лазеров и достигла 3,5 МДж. Это доказывает, что наука на правильном пути к неограниченной и чистой энергии.

Колоризация дейтерий-тритиевой реакции на установке NIF. Источник изображения: Don Jedlovi/US National Ignition Facility

Интересно отметить, что установка NIF, которая представляет собой 192 мощных лазера, сведённых в одну точку, создавалась для моделирования термоядерных взрывов. Моделированием термоядерного синтеза учёные занимались на установке в качестве условной подработки. Долгие годы такой путь считался малоперспективным и тот же проект ИТЭР, как мы знаем, опирается на проверенные временем «бублики» токамаков. Но летом 2021 года на NIF впервые наметился прорыв. Учёные смогли приблизиться к тому пределу, после которого термоядерная реакция, зажжённая лазерами, могла бы поддерживать сама себя. Точнее, выходная энергия превзошла бы затраты энергии на зажигание водородного топлива.

Первое доказательство концепции положительного термоядерного синтеза с лазерным зажиганием было получено в декабре 2022 года. При суммарной мощности лазеров на уровне чуть больше 2 МДж водородное топливо выделило 3,15 МДж. Лазерный термояд оказался рабочим! Впрочем, на работу лазеров и поддержку процесса было затрачено на пару порядков больше энергии, на фоне затрат которой обнаруженный излишек в 1,13 МДж грубо можно сравнить с погрешностью измерений.

Визуализация облучения топлива лазерными лучами, которые преобразуются в рентгеновские для запуска синтеза

Успех вдохновил учёных и установка, а также условия эксперимента были улучшены. Новый запуск термоядерной реакции с тем же уровнем энергии лазеров или близким к нему привёл к высвобождению термоядерной энергии на уровне 3,5 МДж. В относительном сравнении прирост можно считать огромным, и это ещё сильнее убеждает учёных, что перспективы у лазерного термояда есть и к ним нужно стремиться.

О новом достижении учёные сообщат на профильных конференциях и подготовят статьи в научные журналы, которые выйдут через несколько месяцев после тщательной подготовки.

Излучение Вавилова—Черенкова постоянно сопутствует работе обычных ядерных реакторов. Проявляется оно в виде свечения охлаждающей реакторы жидкости (воды), когда энергия деления разгоняет электроны до околосветовой скорости и они создают в воде ударные явления. Американская компания SHINE Technologies стала первой, кто увидел черенковское свечение невооружённым глазом в процессе термоядерной реакции — в ходе синтеза, а не распада вещества.

Слева изображение черенковского излучения в процессе термоядерной реакции, справа — при работе обычного ядерного реактора. Источник изображения: SHINE

Работа компании стала новым доказательством концепции, что управляемый термоядерный синтез возможен в земных условиях. Ранее признаки термоядерных реакций слияния регистрировались исключительно приборами. Увидеть в процессе синтеза черенковское излучение — значит воочию убедиться в прохождении ядерных реакций.

Компания SHINE создаёт установку FLARE (Fusion Linear Accelerator for Radiation Effects), с помощью которой в процессе термоядерного синтеза дейтерия и трития намерена производить изотопы. Мишень с материалами погружается в воду, после чего запускается реакция. По словам специалистов компании, в случае термоядерного синтеза быстрые заряженные частицы образуются, когда водород поглощает нейтрон и испускает гамма-излучение высокой энергии, которое затем ударяет в электрон, разгоняя его до скорости, близкой к скорости света.

«Эффект черенковского излучения, созданный здесь, был достаточно ярким, чтобы быть видимым, что означает, что происходит очень много слияний — около 50 трлн слияний в секунду. При миллиарде слияний в секунду можно было бы измерить черенковское излучение, но не получить видимое, — сказал профессор Джеральд Кульчински, ведущий специалист по ядерным и термоядерным технологиям Университета Висконсин-Мэдисон. — Эти результаты являются мощным свидетельством происходящих ядерных процессов и еще одним доказательством того, что термоядерный синтез тоже может производить нейтроны наравне с некоторыми реакторами».