Учёные из Института физики плазмы им. Макса Планка (IPP) в процессе работы на токамаке ASDEX Upgrade в Гархинге (недалеко от Мюнхена) сделали открытие, которое может привести к созданию как более компактных термоядерных реакторов, так и повысить мощность реакторов без увеличения размеров сосуда для плазмы. В серии экспериментов они показали, что плазменный жгут можно почти вплотную приблизить к стенкам камеры без риска их повреждения.

X-point испускает УФ-свет и видимый синий свет. Красная дуга — край плазменного жгута. Источник изображения: MPI für Plasma Physics

Как известно, плазма внутри рабочей камеры термоядерного реактора типа токамак — вакуумного сосуда в виде пончика — удерживается вдали от стенок сильным магнитным полем. Если плазменный жгут коснётся стенки сосуда, он её легко повредит. В современных проектах реакторов токамаков, как и в случае проекта ИТЭР, жгут плазмы температурой свыше 100 млн °C удерживается сравнительно далеко от стенок. В случае реактора ASDEX Upgrade, например, который некоторым образом служит прообразом ИТЭР, от края плазмы до дивертора всегда было не менее 25 см. Теперь учёные показали, что это расстояние можно уменьшить до менее чем 5 см.

Добавившийся объём в сосуде можно заполнить плазмой и повысить мощность реактора, а можно сделать сосуд меньшего размера и в итоге спроектировать термоядерную электростанцию меньшего размера без потери мощности. Кроме того, конструкция дивертора — который будет служить для съёма полезной мощности и для синтеза в будущем изотопов гелия-4 — станет проще. Сегодня диверторы защищаются вольфрамовыми плитками, и в будущем от этого можно будет уйти.

Суть сделанного открытия в том, что обнаружился эффект повышенного преобразования тепла от границ плазменного жгута в излучение в ультрафиолетовом диапазоне. Если открытие будет подтверждено, появится возможность создавать условия для более точного управления краями плазмы, включая повышенное преобразование тепла в УФ-излучение — это так называемый излучатель точки X (сокращенно XPR), который кроме УФ-излучения испускает также видимый свет в синем спектре.

Эффект возникает, когда в плазму специально добавляют немного примеси (часто это может быть азот). Эффект является управляемым и может стать средством для контроля падающей на дивертор мощности. Диверторы ИТЭР, которые, кстати, изготавливаются в России, смогут выдерживать не более 10 МВт/м². Без магнитного экранирования до стенок дивертора дошло бы до 20 % мощности плазмы или до 200 МВт/м². Управляемая добавка примесей в плазму наряду с магнитной клеткой удерживает стенки дивертора от перегрева и разрушения.

Кассета дивертора и её расположение в реакторе. Источник изображения: ИТЭР

«Излучатель точки X возникает в магнитных клетках особой формы, когда количество добавленного азота превышает определенное значение, — рассказал один из авторов исследования. — Такие примеси дают нам несколько худшие свойства плазмы, но если мы установим излучатель точки X в фиксированное положение, изменяя подачу азота, мы сможем проводить эксперименты на более высокой мощности, не повреждая устройство/дивертор».

Явление было обнаружено около 10 лет назад на реакторе ASDEX Upgrade, но оно всё ещё требует серьёзного научного обоснования и экспериментов, как и привлекает перспективами.

Анализ поданных китайскими учёными и компаниями патентов в сфере термоядерного синтеза показывает, что Пекин всеми силами стремится первым зажечь «Солнце на Земле» — добиться устойчивой реакции слияния ядер водорода. По числу поданных патентов в этой сфере Китай впереди планеты всей. Но главное, что растёт качество патентов, а это приближает момент энергетического изобилия на Земле.

Внутри камеры для термоядерных реакций с лазерным зажиганием, США. Источник изображения: Lawrence Livermore National Laboratory

Японская аналитическая компания Astamuse составила «термоядерный» рейтинг 30 стран и регионов после изучения 1133 тематических патентов, поданных в период с 2011 по сентябрь 2022 года. В этом рейтинге Китай занял первое место, опередив США, за которыми выстроились Великобритания и Япония. В процессе оценивания использовались данные как количества поданных патентов, так и их осуществимость. Динамика Китая на опережение начала прослеживаться с 2015 года, и она была выше, чем со стороны США.

Аналитики отмечают, что поданные китайцами патенты в основном сосредоточены в области практических решений. Например, одной из ценнейших технологий считается создание керамического композитного материала Китайской академией наук, который может быть использован в стенке термоядерного реактора. За рассматриваемый период эта разработка считается самым важным прорывом. Внутри реактора развивается температура свыше 100 млн °C и надёжность активной зоны реактора играет в этом главную роль.

Один грамм термоядерного топлива выделяет энергию эквивалентную сжиганию восьми тонн нефти. Топливом для термоядерного реактора служат изотопы водорода тритий и дейтерий. Они выделяются из морской воды, а это потенциально неиссякаемый источник чистой энергии на Земле. Кто первый зажжёт на Земле искусственное Солнце — сможет воспроизводить управляемые термоядерные реакции — тот станет хозяином этого мира.

В декабре мир всколыхнула новость о первом положительном выходе энергии в процессе управляемой термоядерной реакции синтеза. И хотя всё обстоит не так радужно, как рисуют новости, синтез на основе «лазерного зажигания» впервые показал обнадёживающий результат. Плодами трудов американских коллег воспользовались британские учёные, которые на волне успеха установки NIF договорились с местным регулятором о создании похожего проекта в Великобритании.

Визуализация облучения топлива лазерными лучами на установке NIF, которые в камере преобразуются в рентгеновские и запускают термоядерный синтез

Сообщается, что компания First Light Fusion подписала с Управлением по атомной энергии Великобритании (UKAEA) соглашение о проектировании и строительстве объекта для размещения нового демонстратора Machine 4 для получения чистой энергии. Начало строительства намечено на 2024 год на территории кампуса Кулхэм в Оксфордшире. Начало эксплуатации установки ожидается в 2027 году.

Термоядерный синтез — это процесс, при котором два лёгких ядра объединяются в одно более тяжёлое ядро с выделением большого количества энергии. Метод компании First Light использует ту же физику, которая в декабре 2022 года доказала свою работоспособность на Национальной установке зажигания (NIF) в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, США. Но эта физика — выстрел из батареи лазеров по топливной мишени — сочетается с уникальным подходом First Light Fusion, который включает в себя также выстрел снарядом в топливную мишень, что добавляет значительную часть энергии для запуска термоядерного синтеза.

Декабрьский эксперимент на NIF, напомним, позволил получить значение Q или эффективность термоядерной установки — отношение выделившейся термоядерной энергии к вложенной энергии в нагрев плазмы — на уровне 1,54. Наилучшее значение Q для токамаков составляет 0,75. Но если оценивать затраты энергии «из розетки», то инженерное значение Qen для лазерной установки будет всего 0,0027 для признанного успешным эксперимента, тогда как для токамаков Qen уже достигает значения 0,1. Иными словами, поддержка работы лазеров «зажигания» забирает настолько много энергии, что на фоне классических токамаков они выглядят очень и очень бледно. Тем не менее, до этого лазеры вообще не могли показать что-то более-менее вменяемое в сфере запуска термоядерной реакции.

Установка Machine 4 компании First Light Fusion будет передавать топливной мишени энергию за счёт удара снаряда, разогнанного до скорости 60 км/с. При попадании в цель уникальный «ускоритель скорости» разгонит продукты удара до 200 км/с и сфокусирует их на топливной мишени в виде сферических волн, обжимающих мишень. За счёт использования комбинации кинетического и лазерного удара разработчики намерены значительно снизить энергопотребление термоядерной установки. Будущий объект будет далёк от способности вырабатывать электрическую энергию и призван лишь доказать работоспособность концепции.