На протяжении свыше 75 лет обещание утилитарной реализации термоядерного реактора оставалось недостижимым, по целому ряду причин. Подобная технология смогла бы снабжать человечество практически неограниченным запасом дешевой и чистой энергии, совершив настоящую революцию на энергетическом рынке – поэтому ученые не прекращали попыток год за годом.
Энергетическая революция: британский токамак готов поставлять термоядерную энергию для промышленности
Британская технологическая компания Tokamak Energy из Оксфорда достигла важной вехи в исследованиях термоядерного синтеза, финансируемых из частных источников.
Сферический токамак ST-40 достиг температуры 100 миллионов °C, что, по словам инженеров, является порогом для коммерческого использования энергии термоядерного синтеза
Ядерный синтез на службе человечеству
Принцип ядерного синтеза относительно прост. Просто возьмите атомы водорода и подвергните их такому воздействию тепла и давления, какое осуществляет наше Солнце. Делайте это достаточно долго, и в итоге атомы сольются воедино, образовав более тяжелые атомы гелия и высвободив в процессе огромное количество энергии.
К сожалению, это классический пример игры на скрипке: в теории это очень легко, но на практике невероятно сложно и достигается путем множества проб, ошибок и тренировок. Проще говоря, сбалансировать три основных фактора (тепло, давление и время) для осуществления термоядерного синтеза не так уж сложно. На самом деле, во время Всемирной выставки в Нью-Йорке в 1964 году было организовано мероприятие, на котором публика могла наблюдать за работой настольного термоядерного реактора в режиме реального времени – правда, в течение лишь доли секунды. С тех пор одной из самых трудных задач было придумать реактор, который мог бы производить практические количества энергии в стабильном режиме и в количествах, превышающих количество, необходимое для запуска реакции – то есть «выход» энергии должен быть больше «входа».
Что такое токамак и как он устроен
Иллюстрация того, как расположены магнитные поля в токамаке
Одним из наиболее перспективных направлений в этой ветви энергетики стал токамак-реактор, впервые разработанный в Советском Союзе в 1950-х годах. Базовая конструкция представляет собой полое кольцо, окруженное катушками, которые создают внутри магнитное поле. Кольцо содержит вакуум, в который введены атомы водорода. Магнитное поле сжимает эти атомы во время того, как те нагреваются до миллионов градусов. Этот процесс лишает их электронов и превращает в плазму по мере того, как атомы вращаются вокруг кольца. Когда нагрев, давление и временной промежуток достигают необходимых параметров, происходит синтез – слияние атомов.
Большинство токамаков, построенных за последние 70 лет, были исследовательскими реакторами, финансируемыми государством, которые были сосредоточены на изучении поведения водородной плазмы и проблем, с которыми столкнется строительство практического реактора. Это означает, что эти токамаки, как правило, чрезвычайно большие и дорогие, количество циркулирующей энергии таково, что, если она случайно высвобождается в процессе синтеза, вся машина подпрыгивает, как пытающийся взлететь океанический лайнер.
Частные инициативы
Магнитные катушки токамака
Помимо исследовательских реакторов существуют также проекты, финансируемые из частных источников, такие как сферический токамак ST40 компании Tokamak Energy. В то время как правительственные реакторы уже достигли отметки в 100 миллионов °C, сделать это с гораздо более маленьким коммерческим реактором стоимостью всего 50 миллионов фунтов стерлингов (70 миллионов долларов США) является большим достижением – особенно с учетом того, что успех частного реактора должны подтвердить независимые сторонние наблюдатели.
По заявлению компании, целью ST40 является фокус на коммерческих применениях термоядерной энергии. В частности, цель состоит в том, чтобы сделать реакторы экономически выгодными.
Там, где обычные токамаки имеют большие торические камеры, сферический реактор (такой как ST40) гораздо компактнее и заменяет всеохватывающие магниты на те, которые встречаются в центре камеры в виде стойки. Это придает реактору сплюснутую форму, делая его похожим на яблоко. Данная конфигурация позволяет магнитам располагаться ближе к потоку плазмы, поэтому магниты меньше и потребляют меньше энергии, но генерируют при этом более интенсивные поля.
Устройство сферического токамака
Кроме того, в ST40 используются высокотемпературные сверхпроводящие (HTS) магниты, изготовленные из редкоземельного оксида бария и меди (REBCO) и сформированные в виде узких лент толщиной менее 0,1 мм. Они работают при температуре от -250 до -200 °C, то есть примерно при температуре превращения азота в жидкость. Это делает охлаждение магнитов реактора намного дешевле, чем в случае магнитов, использующих жидкий гелий.
Подобная установка делает реактор меньшего размера и более простым, а плазма остается гораздо более стабильной в условиях, поддерживающих реакцию синтеза. Однако общее давление в реакторе меньше, чем в обычных токамаках, а центральная опора уязвима для распада из-за плазмы и нуждается в регулярной замене.
В настоящее время компания работает над более совершенным реактором ST-HTS, который будет введен в эксплуатацию через несколько лет и, как мы надеемся, предоставит информацию для проектирования первой настоящей коммерческой установки в 2030-х годах.