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.

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».