Александр Войтюк

Больше токамаков

В начале марта на сайте Массачусетского технологического института появилась новость о выделении финансирования на создание новой термоядерной установки — сверхпроводящего токамака SPARC (Soonest Possible Affordable Robust Compact). Проект получил 50 миллионов долларов от итальянского энергетического гиганта ENI, из которых 30 миллионов будут потрачены в ближайшие три года, и продолжает искать новых инвесторов. В масштабах работ по управляемому термоядерному синтезу это неплохие деньги — для сравнения годовой взнос США в международный проект установки ITER в 2018 году составляет около 65 миллионов долларов.

Стройка здания токамака ITER по состоянию на декабрь 2017 года.

ITER.org

Путей решения проблемы управляемого термоядерного синтеза существует несколько, наиболее перспективным сейчас считается использование магнитного поля для удержания высокотемпературной плазмы в ограниченном объеме. Например, в виде тора, что используется в установках типа токамак.

На первый взгляд принцип их работы прост — нужно откачать из вакуумной камеры воздух, заполнить ее смесью изотопов водорода (лучше дейтерием и тритием, у термоядерной реакции с участием ядер этих изотопов большее эффективное сечение), устроить пробой в газовой смеси путем создания вихревого электрического поля на тороидальной оси при помощи индуктора и повышать плотность и температуру плазмы (среднюю энергию составляющих ее частиц) различными методами, удерживая плазменный шнур от касания стенок камеры мощным магнитным полем определенной конфигурации. Если плотность и температура плазмы и время удержания энергии будут достаточными, то установку можно рассматривать в качестве реактора, вырабатывающего энергию. Однако на практике возникает огромное количество проблем, как инженерных, так и физических. В результате проект, который выглядел в моделях и расчетах многообещающим, может оказаться на практике слишком сложным, чтобы быть выгодным реактором.

Чтобы термоядерный реактор имел экономический смысл, мощность тепловыделения в плазме должна быть достаточной, чтобы сохранялись благоприятные условия для протекания термоядерных реакций, а значение Q (коэффициент усиления или отношение тепловой мощности, генерируемой реактором, к затрачиваемой на поддержание его работы мощности) было больше единицы. Например, у строящегося сейчас экспериментального реактора ITER значение Q хотят довести до 10, а в других проектах — до еще более высоких значений. 

Как это сделать? Если мы хотим получить большую термоядерную мощность, нам нужно увеличивать температуру и плотность плазмы. При этом растет и давление плазмы, как горячего газа, которое необходимо уравновесить давлением магнитного поля. В игру вступает параметр β, равный отношению этих давлений, который для токамаков должен быть менее 0,1 (иными словами, необходимо, чтобы магнитное давление было минимум в десять раз больше газокинетического). Чтобы этого добиться, нужны мощные магнитные системы, позволяющие удержать плазменный «бублик» от разлета. При этом желательно, чтобы получившаяся установка была приемлемой по размерам и сложности.

MIT как раз пытается сделать такую установку — токамак ARC (affordable, robust compact reactor), в магнитной системе которого используются высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), позволяющие получать большие значения напряженности магнитного поля. Эти материалы были открыты в 1986 году Георгом Беднорцом и Карлом Мюллером и проявляют сверхпроводящие свойства при температуре выше 77 кельвинов. Однако для развития технологий получения сверхпроводников на основе ВТСП потребовалось более 20 лет и в проект ITER они «не успели». В ARC планируется достичь магнитного поля в 9,25 Тесла на оси тора (у ITER этот показатель заявлен на уровне 5,3 Тесла), при этом сама установка в несколько десятков раз меньше, чем ITER. Токамак другой конфигурации, также использующий ВТСП, создают сейчас в Британии.

Еще одно новшество в конструкции установки — использование жидкосолевого бланкета (зона, где идет поглощение термоядерных нейтронов и наработка трития) из смеси фторидов лития и бериллия (FLiBe), которая может быть использована в качестве теплоносителя в ядерных реакторах. К другим достоинствам отнесем также безындукционный нагрев (от нейтральных частиц отказались, остался волновой нагрев), что позволяет увеличить длительность горения плазменного шнура, а Q для ARC предсказывается на уровне 13,6. 

Однако задача оказалась весьма сложной, отсюда и возникла идея создания промежуточного этапа работ, в который входит токамак SPARC. Это совместный проект MIT и частной компании CFS (Commonwealth Fusion Systems), созданной выпускниками MIT. Ученые хотят научиться работать с ВТСП на основе
оксида иттрия-бария-меди (YBCO), создать из них магнитную систему с необходимыми параметрами и провести исследование влияния мощных магнитных полей на динамику расплава солей, играющего роль теплоносителя. Сам токамак рассчитан на 100 мегаватт термоядерной мощности и Q примерно равное трем. Установка в 65 раз меньше ITER, при этом заявленное магнитное поле на оси тора составляет около 12 Тесла. Расчетный срок создания пока оценивается в 15 лет.

Остается надеяться, что команда ученых, занятая в проекте, сможет преодолеть будущий хаос из множества отдельных исследований, посвященных самым разным инженерным и физическим проблемам, могущим возникнуть при создании этой установки. В любом случае накопленные знания смогут нас приблизить к созданию промышленного термоядерного реактора, в который не придется вкладываться «всем миром».

О других проектах частных компаний в области термоядерного синтеза вы можете прочесть в нашем материале «Это будет бомба».

Ранее в этом блоге

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.