Реактор в виде "витого пончика" делает термоядерный синтез еще доступнее

Новая конструкция реактора может способствовать использованию термоядерного синтеза в коммерческих масштабах.

Ядерный синтез может стать еще на шаг ближе после того, как целевая группа, созданная королем Британии, представила радикально новую конструкцию реактора в форме скрученного пончика.

Реактор, известный как стелларатор, предлагает новые способы управления раскаленной до бела плазмой, образующейся при ядерном синтезе.

Плазма настолько горяча, что может расплавить любой известный материал, поэтому ее приходится удерживать при помощи мощных магнитов. Но поддерживать такую систему более нескольких секунд науке не удавалось на протяжении 70 лет, возможно, до сих пор.

Крис Моури, исполнительный директор Type One Energy, говорит, что компания ожидает, что ее первый стелларатор Infinity One будет установлен на заброшенной электростанции в Теннесси в 2025 году.

Выступая на мероприятии, проведенном целевой группой по термоядерному синтезу, созданной королевской организацией "Инициатива по созданию устойчивых рынков", председателем которой является Моури, он сказал: "Установка будет экспериментальной, но ожидается, что она будет производить больше энергии, чем потреблять, что откроет путь к коммерческому использованию".

Это заявление, наряду с отдельными планами по созданию термоядерных реакторов в Великобритании и Китае, свидетельствует о потенциальном прорыве в области термоядерного синтеза. Оно также показывает, как термоядерный синтез превращается из преимущественно научного предприятия в гонку за создание первых коммерчески жизнеспособных реакторов. 

Этот прогресс привлек внимание организации "Инициатива по устойчивым рынкам", созданной в 2020 году королем, когда он был принцем Уэльским, что послужило поводом для недавнего учреждения целевой группы.

"Грамм термоядерного топлива может высвободить столько же энергии, сколько сжигание 10 000 кг угля", - говорит Моури. "Таким образом, всего несколько сотен килограммов дейтерия и лития могут обеспечить энергией город с населением 250 000 человек на целый год. Я ожидаю увидеть коммерческий реактор в течение двух десятилетий".

Подобные обещания уже звучали, и цель остается весьма амбициозной. Впервые ученые использовали энергию термоядерного синтеза почти 70 лет назад, когда была создана водородная бомба.

Однако контролировать такие реакции для получения энергии оказалось невозможно, несмотря на миллиарды фунтов, потраченные на исследования.

Это связано с тем, что температура, необходимая для создания термоядерной плазмы (в 10-15 раз горячее, чем на Солнце), способна расплавить все известные материалы.

Это означает, что они должны удерживаться магнитными полями, но создание магнитов и моделирование их полей в клетку, способную удерживать раскаленную плазму в течение длительного времени, оказалось непосильной задачей.

Моури и его британские коллеги из целевой группы по термоядерному синтезу считают, что теперь они смогут решить эту и другие технические проблемы, из-за которых термоядерная энергетика оставалась "на 40 лет впереди" в течение последних семи десятилетий.

Цель термоядерного синтеза - использовать чрезвычайно высокие температуры и давление, чтобы заставить атомы водорода слиться, образуя гелий. Этот процесс, который происходит на Солнце и других звездах, разрушает крошечную часть их массы, преобразуя ее в огромное количество тепловой энергии. Если контролировать этот процесс, его можно использовать для выработки электроэнергии с низким содержанием углерода.

Моури говорит: "Идея проста, но моделирование физики этого процесса, особенно магнитных полей, чрезвычайно сложно. И до последних пяти или десяти лет сделать это в трех измерениях было действительно не под силу вычислительной технике".

"Современные суперкомпьютеры, разработанные за последние 20 лет, позволяют ученым рассчитать форму одной из таких машин, а затем построить ее".

Комментарии Моури отражают всеобщее волнение в научном сообществе, занимающемся термоядерным синтезом, в связи с надеждами на создание коммерчески жизнеспособной технологии. Исследования термоядерного синтеза в США совпали с возрождением интереса к ним в Великобритании, что отчасти связано со всплеском энтузиазма Бориса Джонсона в 2019 году, когда он был премьер-министром. 

Он объявил о выделении 330 млн фунтов стерлингов на термоядерные исследования и заявил на конференции Консервативной партии, что исследования в рамках проекта "Объединенный европейский токамак" (ДЖЭТ) в Калхэме, недалеко от Оксфорда, вскоре приведут к "практически неограниченной энергии с нулевым уровнем выбросов углерода".

Его утверждение было преувеличено, но деньги помогли Великобритании остаться мировым лидером с планами по созданию собственного нового термоядерного реактора, который заменит ДЖЭТ. Сферический токамак для производства энергии (STEP, Spherical Tokamak for Energy Production) будет построен на заброшенной электростанции в Уэст-Бертоне, Ноттингемшир.

Токамаки - это более старый подход к термоядерному синтезу с простым реактором в форме пончика. За последние семь десятилетий было построено около 200 таких установок, которые позволили получить бесценные данные, но ни одна из них не оказалась способной поддерживать устойчивые термоядерные реакции.

Пол Метвен, исполнительный директор компании UK Industrial Fusion Solutions, которая строит STEP, говорит: "STEP проложит путь к коммерческому использованию термоядерного синтеза и поможет развить цепочку поставок в Великобритании. Это прекрасная возможность стать лидером и разработать новое решение для защиты климата, чтобы помочь Великобритании оставаться в авангарде коммерческого использования термоядерного синтеза".

Великобритания и США являются дружественными соперниками, сотрудничая и конкурируя в разработке технологии. Но есть и другие игроки.

Пять лет назад Китай объявил, что также планирует построить электростанцию на основе ядерного синтеза, и уже готовит 3000 инженеров для этого проекта.

Делонг Луо, генеральный директор китайского агентства по термоядерным исследованиям, заявил, что планирует создать экспериментальный термоядерный реактор к 2035 году. Прототип электростанции, запланированный на 2060 год, за которым последуют коммерческие установки.

Китай и США также являются ведущими партнерами в проекте ITER (ИТЭР; англ. International Thermonuclear Experimental Reactor, Международный экспериментальный термоядерный реактор) на юге Франции, где консорциум из 10 стран строит крупнейший в мире термоядерный реактор. Это тоже токамак, предназначенный только для получения экспериментальных данных. Британия входила в консорциум ITER, будучи членом ЕС, но после выхода Великобритании из ЕС была исключена.

Моури считает, что исследованиям в области термоядерного синтеза необходимо забыть о конструкции токамака. Он считает, что она изжила себя в 1970-х годах и никогда не сможет создать стабильные магнитные поля, необходимые для устойчивого термоядерного синтеза.

"Конструкция "пончика" токамака имеет простую геометрию, поэтому в 1960-70-е годы, до появления высокопроизводительных вычислений, было гораздо проще разрабатывать и производить реакторы такой формы", - говорит он. "Но плазма по своей природе нестабильна, поэтому она не может достичь постоянного устойчивого состояния, необходимого для производства энергии".

Чтобы решить эти проблемы, Моури и его коллеги воспользовались доступом к экзафлопсным вычислениям Министерства обороны США. Экзамасштабные вычисления подразумевают возможность выполнения миллиардов вычислительных операций в секунду - скорость, сопоставимая с взаимодействием в термоядерном реакторе.

Созданная конструкция напоминала токамак, по которому проехал танк, - этакий скрученный пончик. Но настоящая мощь вычислений заключалась не только в форме, но и в том, как создать и поддерживать магнитные поля внутри реактора.

"Идея стелларатора заключается в том, что если вы сможете понять, как именно он крутится и как управлять магнитными полями, это принесет много пользы", - говорит Моури. "Прежде всего, это делает машину стабильной по своей сути, чтобы производить энергию, которую мы можем использовать".

Если он прав, то термоядерный синтез действительно может быть всего в одном-двух десятилетиях от нас, и Британия воспользуется его преимуществами. В декабре прошлого года США и Великобритания подписали соглашение о совместной работе над такими проектами, и какой бы проект ни оказался успешным, научные разработки будут в значительной степени общим успехом.

Однако, возможно, самый важный вопрос заключается в том, сколько все это будет стоить. Последнее предприятие Великобритании в области атомной энергетики, электростанция Хинкли-Пойнт C в Сомерсете, повлекла за собой рост расходов с 18 до 46 миллиардов фунтов стерлингов. И все это на основе деления ядер, в котором у Великобритании есть десятилетия опыта.

Ян Чепмен, исполнительный директор Управления по атомной энергии Великобритании, отмечает, что одна из самых больших затрат на атомные электростанции связана с необходимостью обращения с радиоактивными материалами и отходами.

Термоядерный синтез, напротив, не создает долгоживущих ядерных отходов, поэтому любая электростанция на его основе может быть относительно крошечной, размером с супермаркет.

"ДЖЭТ, наша последняя установка, обошлась бы в 2 млрд фунтов стерлингов в сегодняшних деньгах", - говорит Ян. "Следующее поколение будет более технологичным, поэтому оно, безусловно, будет стоить дороже. Но все же это будет намного дешевле, чем десятки миллиардов, которые были потрачены на АЭС Хинкли-Пойнт. И она будет чистой".