Термояд на подходе? Китай все ближе к управляемой реакции ядерного синтеза

В Китае экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST) держал контролируемую реакцию синтеза атомных ядер, разогретую до температуры 70 млн °C, более 17 минут. Если в дальнейшем получится еще увеличить время, то после 2030 года КНР удастся создать термоядерный реактор. О том, сможет ли реактор обеспечить страну практически неограниченным количеством чистой и безопасной энергии, — в материале NEWS.ru.

 Какой новый рекорд установил Китай

 Китайская национальная ядерная корпорация (CNNC) создала плазменный ток силой более 1 миллиона ампер (1мегаампер, МА), но и смогла удержать его 1 056 сек (17,6 минуты) при температуре 70 млн °C. Об этом сообщили китайские издания.

«Реактор HL-2A в Юго-Западном институте физики при CNNC в Чэнду отработал в заданном режиме удержания, позволяющем добиться заметного роста температуры и плотности плазмы», — заявили в корпорации.

После этого успешного эксперимента КНР надеется получить практически неограниченный источник энергии уже к началу 2030-х.

Что такое термоядерный синтез 

Термоядерный синтез — это процесс, когда два легких атомных ядра объединяются в одно более тяжелое ядро, высвобождая большое количество энергии. Синтез происходит в плазме — горячем заряженном газе, состоящем из положительных ионов и свободно движущихся электронов.

Именно благодаря термоядерному синтезу излучают энергию звезд, включая Солнце. Благодаря очень высокой температуре, порядка 10 млн °C, и экстремальному давлению внутри звезды легкие атомные ядра могут разогнаться до такой скорости, что преодолевают взаимное отталкивание и врезаются друг в друга, высвобождая энергию.

 Если термоядерный синтез получится запустить в специальных установках на Земле, то люди получат практически неограниченный источник энергии. Этот процесс дает в четыре раза больше энергии на один килограмм топлива, чем АЭС, и примерно в четыре миллиона раз больше, чем сжигание килограмма угля или нефти.

 Большая часть термоядерных реакторов предполагает использование дейтерия и трития — атомов водорода с дополнительными нейтронами. Согласно расчетам, из нескольких грамм этих изотопов можно получить тераджоуль энергии. Этого количества хватит гражданину развитой страны с высоким энергопотреблением на шестьдесят лет.

Что нужно для запуска термоядерного синтеза на Земле

Внутри Солнца очень высокая гравитация, поэтому для термоядерного синтеза хватает температуры в 10 млн °C. Но на Земле условия другие, поэтому для запуска и поддержания реакции дейтерия и трития нужна куда более высокая температура, около 100 млн °C. Нужно одновременно регулировать давление внутри камеры, где происходит процесс, а также — магнитные силы, удерживающие так называемый «плазменный шнур», чтобы он не коснулся стенок камеры и не расплавил аппарат. 

Это необходимо для того, чтобы продлить время реакции и произвести на первых порах хотя бы больше энергии, чем было затрачено для ее запуска. Удержание плазмы в стабильном состоянии — главная задача создателей установок термоядерного синтеза — токамаков. Это слово, придумал советский физик Игорь Головин, ученик академика Курчатова. Оно означает «тороидальная камера с магнитными катушками» и считается синонимом словосочетанию «установка термоядерного синтеза».

Что такое установка HL-2A 

HL-2А — созданная учеными китайского института в Чэнду экспериментальная установка термоядерного синтеза. Первая плазма на этом токамаке была получена в 2020 году. Основная задача — решение критически важных вопросов в ходе создания термоядерных устройств, включая международный проект ИТЭР, создаваемый во Франции. Главные направления исследований — радио-частотно-волновой нагрев, токовая стимуляция, удержание плазмы и физика энергетических частиц в целом.

В токамаке Юго-Западного института физики в 2021 году уже создали температуру 150 млн °C и удерживали реакцию 101 секунду (то есть менее двух минут).

В этот раз температура была ниже, зато реакция длилась более 17 минут. В настоящее время HL-2M создает ток плазмы силой более 2,5 мегаампер и бесперебойно работает в условиях более 1 мегаампера 

После ряда проверок китайцы планируют создать коммерческий реактор демонстрационной термоядерной электростанции (DEMO). Он будет функционировать почти непрерывно, а чистый прирост электроэнергии составит более 50 мегаватт (МВт). Ключевая проблема, которую они должны решить — поддерживать стабильность термоядерной плазмы в течение достаточно длительного времени, чтобы производить энергию на постоянной основе.

 «Для установок типа DEMO необходимо разработать и интегрировать сложные элементы и системы, которых нет в существующих экспериментальных термоядерных устройствах. Требуются, в частности, такие элементы, как системы генерации электроэнергии и системы контроля горения. Реакторы DEMO требуют особых материалов, поскольку горящая плазма создает большой поток нейтронов и высокую плотность энергии», — рассказывала Элизабет Сарри, глава отдела технологий Управления по атомной энергии Великобритании. 

Сколько стран экспериментируют с термоядерной энергией

Сейчас более 50 стран испытывают, строят или планируют строить экспериментальные термоядерные устройства разнообразных конструкций. Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) даже опубликовало специальный доклад «Общемировой обзор термоядерных устройств — 2022». В нем рассматриваются реакторы из Китая, Казахстана, России, США и других стран.

В данный момент в мире действуют более 50 токамаков и более 10 стеллараторов (в нем магнитное поле создается внешними катушками). На юге Франции строится крупнейший в мире международный термоядерный реактор ИТЭР. Его сооружение началось в исследовательском центре Кадараш в 2010 году. В проекте участвуют 35 государств: Россия, США, Китай, Индия, Южная Корея, страны Евросоюза, Великобритания и Швейцария

Цель проекта — провести термоядерную реакцию на мощности 500 МВт в течение не менее 400 секунд непрерывной работы при потребляемой мощности 50 МВт. Согласно планам, первую плазму токамак должен был получить уже в следующем году, а первый запуск дейтериево-тритиевой термоядерной реакции ожидался в 2035 году.

Но два месяца назад было объявлено о переносе запуска ИТЕР из-за задержек поставок оборудования, вызванных ограничениями во время пандемии. Новые сроки запуска обещают назвать в первой половине 2024-го

Как обстоит ситуация в России с токомаками

Москва продолжаетсобственные испытания в области термоядерной энергетики. 23 августа Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» запустил модернизированную термоядерную установку токамак Т-15МД, которая позволит создать термоядерный источник нейтронов.

«Мы дооснастили дополнительными системами нагрева и уже провели первые испытания по энергетическому пуску этой установки. Это очень важное событие с точки зрения развития термоядерный энергетики в нашей стране», — заявил вице-президент «Курчатника» Александр Благов.

Глава института Михаил Ковальчук заявил, что была получена плазма, токомак сейчас работает и набирает мощность.

Насколько безопасна термоядерная энергия

Многие ученые настроены скептически к токомакам. В 2017 году появилась статья «Термоядерные реакторы: не то, чем их называют», опубликованная в 2017 году. Ее автор, Дэниел Джассби, был до 1999-го главным физиком-исследователем в Принстонской лаборатории физики плазмы. В течение четверти века он работал в областях физики плазмы и производства нейтронов, связанных с разработками в области термоядерной энергии.

 По мнению Джассби, при получении термоядерной энергии в токамаках будут возникать сильные нейтронные потоки.

 «Нейтронные потоки приводят непосредственно к четырем прискорбным проблемам: радиационному повреждению конструкций; возникновению радиоактивных отходов; необходимости биологической защиты; они создают потенциал производства оружейного плутония-239, что усиливает угрозу распространения ядерного оружия», — такого мнения придерживается ученый.