Мечта о ядерном синтезе стала ближе к реальности

Ученые из лаборатории в Англии побили рекорд по количеству энергии, полученной в ходе контролируемой, продолжительной термоядерной реакции.

Производство 59 мегаджоулей энергии в течение пяти секунд в Объединенном европейском торе (JET) в Англии было названо некоторыми новостными изданиями "прорывом" и вызвало немалое волнение среди физиков.

Но общая линия относительно производства электроэнергии с помощью термоядерного синтеза заключается в том, что до него "всегда 20 лет".

Мы - физик-ядерщик и инженер-ядерщик - изучаем, как развить управляемый ядерный синтез с целью получения электроэнергии.

Результат JET демонстрирует замечательный прогресс в понимании физики термоядерного синтеза. Но что не менее важно, он показывает, что новые материалы, использованные для изготовления внутренних стенок термоядерного реактора, работают так, как было задумано.

Тот факт, что новая конструкция стенок работает так хорошо, как она работала, отличает эти результаты от предыдущих вех и возводит магнитный синтез из мечты в реальность.

Слияние частиц

Ядерный синтез - это слияние двух атомных ядер в одно составное ядро. Затем это ядро распадается и высвобождает энергию в виде новых атомов и частиц, которые разлетаются от реакции. Термоядерная электростанция улавливает вылетающие частицы и использует их энергию для выработки электричества.

Существует несколько различных способов безопасного управления термоядерным синтезом на Земле. Наше исследование сосредоточено на подходе, используемом в JET - использование мощных магнитных полей для удержания атомов до тех пор, пока они не нагреются до достаточно высокой температуры, чтобы произошло их слияние.

Топливом для нынешних и будущих реакторов служат два различных изотопа водорода - они имеют один протон, но разное количество нейтронов - дейтерий и тритий. Обычный водород имеет в своем ядре один протон и ни одного нейтрона. Дейтерий имеет один протон и один нейтрон, а тритий - один протон и два нейтрона.

Чтобы реакция синтеза прошла успешно, атомы топлива должны сначала нагреться настолько, чтобы электроны оторвались от ядер. В результате образуется плазма - совокупность положительных ионов и электронов.

Затем необходимо продолжать нагревать плазму, пока она не достигнет температуры более 200 миллионов градусов по Фаренгейту (100 миллионов по Цельсию). Затем эту плазму необходимо удерживать в замкнутом пространстве при высокой плотности в течение достаточно длительного периода времени, чтобы атомы топлива столкнулись друг с другом и соединились.

Чтобы контролировать термоядерный синтез на Земле, исследователи разработали устройства в форме пончика - так называемые токамаки - которые используют магнитные поля для удержания плазмы. Линии магнитного поля, окутывающие внутреннюю часть пончика, действуют как рельсы, по которым движутся ионы и электроны.

Подавая энергию в плазму и нагревая ее, можно разогнать частицы топлива до таких высоких скоростей, что при столкновении, вместо того чтобы отскакивать друг от друга, ядра топлива сплавляются вместе. Когда это происходит, они высвобождают энергию, в основном в виде быстро движущихся нейтронов.

В процессе термоядерного синтеза частицы топлива постепенно удаляются от горячего плотного ядра и в конце концов сталкиваются с внутренней стенкой термоядерного сосуда.

Чтобы предотвратить разрушение стенок из-за этих столкновений - что, в свою очередь, также загрязняет термоядерное топливо - реакторы строятся таким образом, что они направляют улетевшие частицы в сильно бронированную камеру, называемую дивертором. Она откачивает отвлеченные частицы и отводит избыточное тепло для защиты токамака.

Стены важны

Основным ограничением реакторов прошлых лет был тот факт, что диверторы не могут выдержать постоянную бомбардировку частицами дольше нескольких секунд. Чтобы сделать термоядерную энергетику коммерческой, инженерам необходимо построить корпус токамака, который выдержит многолетнее использование в условиях, необходимых для термоядерного синтеза.

Стенка дивертора - это первое, на что следует обратить внимание. Хотя частицы топлива намного холоднее, когда они достигают дивертора, у них все еще достаточно энергии, чтобы выбить атомы из материала стенки дивертора при столкновении с ней.

Ранее стенка дивертора JET была сделана из графита, но графит поглощает и задерживает слишком много топлива для практического использования.

Примерно в 2011 году инженеры JET модернизировали стенки дивертора и внутреннего сосуда, использовав вольфрам. Вольфрам был выбран отчасти потому, что он имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлов - чрезвычайно важное свойство, когда дивертор, вероятно, будет испытывать тепловые нагрузки, почти в 10 раз превышающие носовой конус космического челнока, входящего в атмосферу Земли.

Внутренняя стенка корпуса токамака была заменена графитом на бериллий. Бериллий обладает превосходными тепловыми и механическими свойствами для термоядерного реактора - он поглощает меньше топлива, чем графит, но при этом выдерживает высокие температуры.

В заголовки газет попала энергия, вырабатываемая реактором JET, но мы утверждаем, что именно использование новых материалов стенок делает эксперимент действительно впечатляющим, поскольку будущим устройствам потребуются эти более прочные стенки для работы на высокой мощности в течение еще более длительных периодов времени.

JET - это успешное доказательство концепции создания следующего поколения термоядерных реакторов.

Следующие термоядерные реакторы

Токамак JET - самый большой и самый совершенный реактор магнитного синтеза, работающий в настоящее время. Но следующее поколение реакторов уже находится в разработке, в частности, эксперимент ITER, который должен начать работу в 2027 году.

ИТЭР - что в переводе с латинского означает "путь" - строится во Франции и финансируется и управляется международной организацией, в которую входят США.

В ITER будут использоваться многие из тех достижений в области материалов, которые JET продемонстрировал как жизнеспособные. Но есть и некоторые ключевые отличия. Во-первых, ИТЭР огромен. Камера синтеза имеет высоту 37 футов (11,4 метра) и 63 фута (19,4 метра) в окружности - более чем в восемь раз больше, чем JET.

Кроме того, в ITER будут использоваться сверхпроводящие магниты, способные создавать более сильные магнитные поля в течение более длительных периодов времени по сравнению с магнитами JET. Ожидается, что благодаря этим усовершенствованиям ИТЭР побьет рекорды термоядерного синтеза на JET - как по выходу энергии, так и по продолжительности реакции.

Также ожидается, что ИТЭР сможет сделать нечто главное для идеи термоядерной электростанции: производить больше энергии, чем требуется для нагрева топлива. Модели предсказывают, что ИТЭР будет вырабатывать около 500 мегаватт энергии непрерывно в течение 400 секунд, потребляя при этом всего 50 МВт энергии для нагрева топлива.

Это означает, что реактор производит в 10 раз больше энергии, чем потребляет - огромное улучшение по сравнению с реактором JET, которому для нагрева топлива требовалось примерно в три раза больше энергии, чем он произвел для своего недавнего рекорда в 59 мегаджоулей.

Недавний рекорд JET показал, что годы исследований в области физики плазмы и материаловедения окупились и привели ученых на порог использования термоядерного синтеза для производства энергии. ITER обеспечит огромный скачок вперед на пути к цели создания термоядерных электростанций промышленного масштаба.Разговор

Дэвид Донован, доцент кафедры ядерной инженерии, Университет Теннесси, и Ливия Казали, доцент кафедры ядерной инженерии, Университет Теннесси.