Термоядерный реактор

Стремление к овладению термоядерным синтезом — практически неисчерпаемым и экологически чистым источником энергии — вышло на новый уровень. Экспериментальный реактор Wendelstein 7-X (стелларатор, установленный в Германии) побил несколько мировых рекордов, продемонстрировав способность удерживать сверхгорячую и устойчивую плазму дольше, чем когда-либо прежде. Этот успех стал принципиально важным этапом на пути к созданию промышленного термоядерного реактора, который в перспективе способен заменить загрязняющие окружающую среду ископаемые источники энергии.

Термоядерный синтез — именно тот процесс, который питает Солнце и звёзды. Его суть сводится к слиянию лёгких ядер, например водородных, в более тяжёлые (такие как гелий), при этом высвобождается огромное количество энергии. В отличие от ядерного деления, которое лежит в основе современных АЭС, реакция синтеза практически не порождает долгоживущие радиоактивные отходы и не несёт серьёзных рисков крупных аварий.

Однако воссоздать столь экстремальные условия на Земле — задача колоссальной сложности. Чтобы запустить реакцию, необходимо нагреть топливо до миллионов градусов и удерживать его достаточно долго, чтобы процесс перешёл в самоподдерживающуюся стадию. До сих пор все экспериментальные установки, как правило, потребляли больше энергии, чем выдавали.

Для удержания плазмы при столь высоких температурах используют два основных типа реакторов: токамаки и стеллараторы. Токамаки, обладающие более простой конструкцией, создают мощное магнитное поле за счёт сильного электрического тока, протекающего внутри плазмы. Однако длительная стабилизация этого тока остаётся серьёзным вызовом. Стеллараторы же полагаются на сложные внешние магниты, спирально обвивающие камеру. Такая конструкция сложнее, но обеспечивает более устойчивую работу в долгосрочной перспективе. Wendelstein 7-X сегодня признан самым технологически продвинутым из этих стеллараторов.

В ходе последних экспериментов, проведённых в Институте физики плазмы имени Макса Планка (IPP) в Грайфсвальде, международная команда исследователей превысила все ожидания. Установленные рекорды касаются в первую очередь продолжительности поддержания плазмы в горячем и стабильном состоянии — ключевом условии для будущих энергетических установок. «Тройное произведение» (плотность плазмы, её температура и время удержания энергии) достигло показателей, сопоставимых с лучшими токамаками. Этот параметр особо важен, ведь для перехода реакции в самоподдерживающуюся фазу необходимо превзойти критерий Лоусона.

Томас Клингер, руководитель проекта Wendelstein 7-X, охарактеризовал новый рекорд как «впечатляющее достижение» и «важный шаг на пути к стелляторам, пригодным для масштабного промышленного использования». Это ещё одно убедительное доказательство колоссального потенциала технологии.

Добиться столь высоких результатов удалось благодаря внедрению уникальной системы впрыска топлива. Учёные разработали инжектор, способный отправлять сотни гранул замороженного водорода в плазму со скоростью, нередко доходящей до 800 метров в секунду. Одновременно плазму поддерживали в нужном состоянии за счёт мощных микроволновых импульсов, разогревая её до 30 миллионов градусов по Цельсию. Точная координация этих процессов позволила удерживать плазму в стабильном состоянии на протяжении 43 секунд — абсолютный рекорд для стелларатора. Помимо этого, был достигнут выдающийся результат по общей выработке энергии: 1,8 гигаджоуля за шесть минут — значительно превосходя показатели аналогичных реакторов вроде китайского токамака EAST.

Эти достижения свидетельствуют о том, что стелларатор может стать основой будущих промышленных термоядерных электростанций. Его способность поддерживать плазму без внутреннего тока — огромное преимущество в задаче непрерывного функционирования. Роберт Вольф, возглавляющий направление нагрева и оптимизации в проекте Wendelstein 7-X, особо отметил важность международного сотрудничества при выполнении столь амбициозных экспериментов, укрепляя веру в долгосрочную перспективу термоядерного синтеза.

Разумеется, следующий рубеж — выйти за рамки критерия Лоусона и достичь энерговыхода, превышающего затраты на нагрев плазмы. Потом предстоит решить задачи масштабируемости, надёжности и экономической целесообразности таких установок. Однако каждый новый рекорд и каждая технологическая победа всё ближе приближают нас к обретению безопасного, неисчерпаемого и чистого источника энергии.

Единственный в мире эксперимент с положительным выходом энергии у термоядерной реакции улучшил результаты. Учёные Национального комплекса лазерных термоядерных реакций США (National Ignition Facility, NIF) зафиксировали новый рекорд в ходе эксперимента по лазерному термоядерному синтезу. Выход энергии достиг 8,6 МДж, что более чем в два раза превышает результат прошлого года и почти в четыре раза больше, чем при первом пуске в 2022 году.

По данным TechCrunch, в последних испытаниях мощность реакции сначала подняли до 5,2 МДж, а затем — до 8,6 МДж. В 2022 году результат составлял 3,15 МДж при затратах 2,05 МДж на нагрев топлива. Однако о практическом применении специалисты пока ничего не говорят. Полученной энергии недостаточно даже для частичного возврата электричества в сеть, поскольку только для питания лазерной системы требуется около 300 МДж.

В установке NIF был использован метод инерционного сжатия топлива (инерционное удержание), при котором реакция происходит настолько быстро, что продукты реакции не успевают рассеяться. Специальную крошечную капсулу с топливом размером с горошину покрыли алмазной оболочкой и поместили внутрь золотого цилиндра — гольраума. Далее его опустили в вакуумную камеру диаметром 10 метров, где 192 лазера сфокусировались на цели. Под действием лазеров стенки гольраума начали испаряться и излучать рентгеновские лучи, которые равномерно обжали топливную капсулу, вызвав сжатие и запуск термоядерной реакции. При этом ядра дейтерия и трития вступали в реакцию синтеза, образуя ядро гелия и высвобождая нейтроны вместе с огромным количеством энергии.

Интересно, что другой подход — магнитное удержание плазмы — пока не достиг уровня положительного выхода энергии, но работы в этом направлении продолжаются. Например, во Франции для проекта ITER строят крупнейшую тороидальную установку для магнитного удержания плазмы (токамак). В то же время стартапы, такие как Xcimer Energy и Focused Energy, акцентируют своё внимание на инерционном удержании. Все эти исследования приближают мир к источнику энергии с минимальными экологическими последствиями и практически неисчерпаемым топливом.

Источник 3dnews.ru

Физики из французского центра по исследованиям и разработкам в области энергетики CEA Cadrache установили новый рекорд по продолжительности удержания плазмы на токамаке WEST, который составил 1337 секунд.

Токамак WEST достиг нового технологического рубежа в области термоядерного синтеза, поддерживая водородную плазму на протяжении более 20 минут при тепловой мощности в два мегаватта.

Данное достижение превзошло предыдущий рекорд в 1066 секунд, установленный в январе этого года на китайском экспериментальном токамаке EAST.

Теперь, когда рекорд продолжительности удержания плазмы на токамаке WEST установлен, давайте немного поговорим о значении этого достижения для термоядерного синтеза и, конечно же, о том, что такое токамак.

Токамак — это устройство, предназначенное для удержания горячей плазмы, необходимой для термоядерного синтеза. Это процесс, который, если будет успешно реализован, может стать практически безистощимым источником энергии, имитируя процессы, происходящие в сердце солнца. Таким образом, достижения в данной области могут привести к революции в энергетическом секторе, и, возможно, к тому, что нас больше не будут беспокоить высокие счета за электроэнергию!

Теперь о новом рекорде: 1337 секунд удержания плазмы на WEST — это не просто набор цифр. Это символ прогресса. Исследователи на CEA Cadrache не только побили предыдущий рекорд, но и продемонстрировали, что вполне возможно поддерживать стабильную плазму в течение продолжительного времени при значительной тепловой мощности. Таким образом, мы все ближе к тому, чтобы сделать термоядерный синтез не только осязаемым, но и практически применимым в будущем.

Другими словами, у нас есть прекрасные новости: возможно, впереди нас ожидает эра чистой и практически бесконечной энергии! Этот прорыв не просто закрепляет статус токамака WEST как одного из ведущих устройств в области термоядерного синтеза; он также вдохновляет ученых и исследователей по всему миру продолжать свои усилия в этой важнейшей области.

Таким образом, впереди множество увлекательных исследований и открытий, и мы можем только надеяться, что вскоре термоядерный синтез превратится из научной фантастики в реальность. А пока мы можем с удовлетворением наблюдать за развитием технологий и прогрессом в этой захватывающей области!