В поисках звёздной энергии учёные осваивают управляемый термоядерный синтез

Однажды «отец» токамака академик Л. А. Арцимович заметил, что термоядерный реактор будет построен тогда, когда он будет реально нужен. Учитывая темпы роста потребления энергии и добычи необходимого для её производства углеводородного сырья, можно предположить, что время настало. Однако построить реактор, пригодный для промышленной генерации электроэнергии, пока не удаётся.

Сейчас основные усилия международного научного сообщества направлены на получение управляемой термоядерной реакции (ТЯР) в токамаках (сокращение от ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками) – реакторах правильной геометрической формы, идею которых предложили А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм. Они же рассчитали параметры первой установки такого рода, которая была создана под руководством Л. А. Арцимовича в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова в 1956 г. В тороидальной вакуумной камере первого токамака, заполненной смесью изотопов водорода дейтерия и трития, при температуре во многие миллионы градусов происходила ТЯР синтеза ядер гелия с выделением высокоэнергетических нейтронов.

Главная проблема токамаков заключается в том, что плазма, удерживаемая внутри тороидальной камеры магнитным полем, нестабильна. В процессе неконтролируемого дрейфа она «сползает» к внешним стенкам реактора, где мгновенно охлаждается, гася реакцию. Кроме того, существует проблема загрязнения плазмы частицами материала, выбиваемыми из «первой стенки».

Несмотря на трудности, токамаки развиваются – медленно, но верно. Ещё недавно время удержания плазмы в них составляло десятые доли секунды. Сейчас счёт уже идёт на десятки секунд, но на удержание плазмы тратится почти столько же или больше энергии, сколько производится в ходе реакции. Рекорд по соотношению произведённой и затраченной энергии (коэффициенту рентабельности) пока принадлежит токамаку EAST китайского Института физики плазмы – 1,25.

Бублики прогресса

С 2010 г. международный консорциум, в который входят научные, инженерные, технологические и производственные организации Евросоюза, США, России, Индии, КНР, Южной Кореи, Японии и Казахстана, строит на юге Франции грандиозный экспериментальный токамак ITER. Установка высотой 30 м будет иметь радиус 10,7 м и массу 23 тыс. т, а общая масса всего комплекса составит 360 тыс. т. Согласно проекту, токамак должен выдать среднюю мощность 500 МВт (пиковую в импульсе – 1,1 ГВт) при времени непрерывного горения плазмы более 400 с. Коэффициент рентабельности при этом должен составить 10.

Первоначально стоимость строительства оценивалась в 12 млрд долл., а получение первой плазмы намечалось на 2016 г. С тех пор сроки запуска неоднократно переносились (теперь начало экспериментов планируется на 2025 г.), а стоимость проекта выросла до 15 млрд евро. Но токамак – не единственный инструмент для исследований в области термоядерной энергетики.

Установка другого типа, изобретённая астрофизиком Лео Спитцером в 1951 г., получила название «стелларатор» (от лат. stella – звезда). Как и токамак, она представляет собой реактор с магнитным удержанием плазмы. В ней тоже идёт синтез гелия из тяжёлых изотопов водорода при тех же самых температурных режимах и давлении в миллионы атмосфер. Однако механизм разогрева плазмы и её магнитного удержания в стеллараторах иной. В токамаке плазма «удерживает сама себя». То есть тороидальные магнитные катушки, насаженные на тороидальную замкнутую камеру, создают магнитное поле, которое наводит ток в круговом плазменном шнуре. Этот ток создаёт полоидальное поле, которое удерживает плазму, сжимая шнур (это называется пинчэффектом). Он же нагревает плазму за счёт её омического сопротивления. Правда, такого нагрева недостаточно, и в камеру приходится инжектировать пучки нейтральных атомов высокой энергии либо использовать высокочастотное облучение плазмы. Квазисимметрия Стелларатор конструктивно сложнее токамака. Он представляет собой необычным образом перекрученный и деформированный (приплющенный) бублик.

Не менее причудлива и конфигурация насаженных на него магнитных катушек. Благодаря сложной форме вакуумной камеры и катушек создаётся внешнее винтовое магнитное поле, удерживающее плазму без необходимости использовать ток в самом плазменном шнуре. Тем самым существенно повышается стабильность плазмы.

Рекордное время поддержания и нагрева плазмы, превышающее 54 мин., было зафиксировано на японском стеллараторе LHD (Large Helical Device). Еще одно достоинство стелларатора заключается в том, что его винтовая обмотка способна очищать рабочую смесь от примесей и удалять продукты реакции.

Впрочем, такие – так называемые диверторные – обмотки начали использовать и в токамаках нового поколения. Но у стелларатора есть и существенный недостаток – большие потери плазменной энергии. Из-за этого пока в реакторе данного типа не удаётся получить температуру, обеспечивающую устойчивый термоядерный синтез. Проблема усугубляется ещё и тем, что сверхпроводящие магниты стелларатора при создании поля необходимой напряжённости потребляют энергии существенно больше, чем катушки токамака, в котором поле создаёт ток в плазменном жгуте. Учёные в разных странах мира пытаются решить эту проблему, причём небезуспешно – об этом свидетельствуют улучшающиеся параметры процесса нагрева плазмы в новейших стеллараторах.

К таковым относятся вышеупомянутая японская установка LHD в токийском Национальном институте ядерного синтеза и создаваемый в германском Институте физики плазмы им. Макса Планка стелларатор Wendelstein 7-X, где расчётная температура плазмы приближается к 10 млн градусов. Повышение температуры достигается не только за счёт увеличения энергии инжектируемых в плазму нейтральных атомов, но прежде всего с помощью улучшенных магнитных ловушек, сглаживающих неравномерности удерживающего поля. В результате этих усовершенствований, просчитанных на современных суперкомпьютерах, получается квазисимметричное поле, потери энергии в котором приближаются к потерям в токамаках.

В немецком проекте участвуют учёные из других стран, есть россияне и украинцы. Wendelstein 7-X будет крупнейшим стелларатором в мире. К квазисимметричному типу стеллараторов относится и запущенный в Университете Висконсина агрегат HSX (Helically Symmetric eXperiment). Протестировав установку, её создатели утверждают, что по уровню потерь энергии плазмы она ничем не уступает современным токамакам.

HSX, можно сказать, – миниатюрный стелларатор в сравнении с японским и немецким. И он нагревает плазму почти до 20 млн градусов – отменный показатель.

Стрельба по мишеням

В 1960-е годы, когда появился лазер, возникла идея получения термоядерной энергии с помощью инерционного термоядерного синтеза. Её суть такова. В реакторную камеру с определённой частотой вбрасывают мишени, представляющие собой миллиметровые шарики, заполненные дейтерием и тритием, и поджигают их мощным лазерным лучом. В результате в камере происходит последовательность термоядерных микровзрывов, тепловую энергию которых нужно преобразовать в электрическую.

Красивая идея оказалась трудно реализуемой в техническом отношении. Проще всего было создать мишень и испытать её традиционным для оборонных проектов методом – под землёй, с использованием плутониевого заряда в качестве запала. Мишень представляет собой шарик диаметром в 1–3 мм. Под твёрдой оболочкой в ней находится слой замороженного топлива – дейтерий и тритий (DT). В центре мишени – разреженное газообразное DT-топливо. Оболочки для мишеней могут изготавливаться из разнообразных материалов – металлических сплавов и пластиков.

Для поджига мишени необходимо приложить к ней мощность с плотностью 1020 Вт/см2. При этом излучатель должен выдавать 10-наносекундный импульс с энергией в несколько мегаджоулей.

Другие требования не менее жёсткие. Например, неравномерность облучения мишени не должна превышать 1%. И, наконец, для получения выходной мощности в 1 ГВт необходимо поджигать мишени с частотой 5–6 Гц. В результате воздействия громадной энергии мишень сжимается, в её центральной полости происходит термоядерная реакция, которая распространяется на твёрдое замороженное топливо по краям.

Наилучших результатов в освоении инерционного термоядерного синтеза добились американцы на 192-лучевой лазерной установке NIF (National Ignition Facility), построенной в Ливерморской лаборатории им. Лоуренса. Эта установка обрушивает на мишени энергию в 1,8 МДж.

Однако применение инерционного термоядерного синтеза в коммерческих системах производства электроэнергии весьма проблематично из-за низкого КПД лазеров. Но США, потратившие на создание установки NIF более 5 млрд долл., предполагали её использование не только и, вероятно, не столько для решения энергетической проблемы, сколько для разработки вооружений новых видов.

* * *

Время покажет, какой тип установок термоядерного синтеза станет основным, а какие уйдут в историю. Не исключено, что технологическим победителем окажется реактор какого-то совершенно нового типа.

Алексей БАТЫР

Энерговектор №12 (52), декабрь 2015