Рентабельный термоядерный реактор уже скоро?
Сегодня расскажу вам об одной из существующих исследовательских установок термоядерного синтеза импульсного типа, которая при дальнейшей доработке сможет первой в мире или одной из первых осуществить давнюю мечту человечества - производство экологически чистой энергии из широко доступного топлива, без большого количества вредных выбросов и углеродного следа. Ответ на вопрос возможно ли это в теории давно получен, всех нас больше интересует увидим ли мы первые рентабельные термоядерные реакторы на нашем веку.
Это установка-прототип Trenta от частной американской компании Helion Energy. В мире есть целая россыпь компаний, утверждающих что они сделают что-то в течение 10 лет. Хотя сейчас Trenta не может похвастать абсолютными рекордами температуры, давления и времени удержания плазмы, и тем не менее, на мой взгляд, её разработчики ближе всего подобрались к тому, чтобы уже в следующей итерации разработки построить прототип первого коммерческого реактора управляемого синтеза.
Несколько фактов, которые позволяют на это надеяться:
1) Конструкция установки в достаточной мере проста для строительства коммерчески успешного проекта. Затраты на строительство реактора гораздо меньше, в сравнении с токамаками более низких энергий плазмы, но стабильным ее удержанием. Но при этом и затраты на механизмы отведения/преобразования тепла кратно меньше, чем в классических атомных электростанциях на распаде.
2) Установка не создана с нуля, а является уже шестым поколением этой компоновки. Текущая версия успешно осуществляет синтез, при ее испытании достигнуты важные вехи, о которых коротко в самом низу длиннопоста;
3) Расчеты показывают достижимость коэффициента воспроизводства термоядерной энергии Q = 8 на установке данного типа, но при этом установка позволяет снимать электричество с высоким КПД даже при малых значениях Q;
4) Хотя есть необходимость во внешнем источнике или аккумуляторе энергии, нет необходимости непрерывно поддерживать плазму в стационарном состоянии, со всеми ее трудностями.
5) За вычетом стоимости топлива, эксплуатационные затраты на производство электроэнергии, включая обеспечение безопасности, времени выхода на полную мощность и снятие энергоблоков с эксплуатации, будет сравнимо с классическими ТЭС. Поскольку нет повышенного риска радиационного загрязнения, риска неконтролируемой реакции, а также вероятности использования электростанции в качестве оружия.
Для начала немного теории, чтобы понять, что же происходит внутри реактора. Для того, чтобы запустить синтез, необходимо создать такие условия, при которых удастся преодолеть силы отталкивания атомов друг от друга - преодолеть кулоновский барьер. На практике это означает поднять температуру и давление (концентрацию) плазмы до необходимых значений на достаточное время. Внутри Солнца огромное давление, поэтому протон-протонный синтез успешно начинается всего лишь при температуре ~10 млн градусов благодаря туннелированию ядер водорода через кулоновский барьер. Однако, на Земле мы не можем воссоздать подобное давление в макросистемах, поэтому реакция синтеза возможна лишь при достижении один-два порядка большей температуры.
Нижняя планка температуры зависит от выбранного топлива. На Солнце почти нет изотопов водорода и горит преимущественно водород и гелий-4, а вот на Земле нам доступен гораздо больший ассортимент. Например, при Земных условиях, реакция с нижним порогом необходимой энергии - синтеза дейтерия и трития (D-T) требует нагрева до 100млн C. Наиболее доступная анейтронная реакция синтеза Дейтерий-Гелий-3 (D-He3), т.е. без образования нейтронов или с их малым количеством, начнется при температуре порядка 800 млн C. Однако, на Земле очень малое количество Гелия-3 и в основном его получают как продукт бета-распада трития - полураспад которого составляет 12.5 лет. Однако, и мировые запасы трития невелики и исчисляются килограммами, поскольку получают его искусственно на атомных реакторах деления. Следующая по доступности анейтронная реакция - водород-бор-11. Хотя 80% встречающегося бора в природе как раз и составляет этот изотоп, синтез с водородом требует критической температуры 3 млрд C.
Выходом из положения является создание очень мощных магнитных полей в несколько десятков ТЛ, во-первых для компрессии плазмы и снижения требований к критической температуры, а во-вторых для тепловой изоляции внутренней части реактора от плазмы.
В реакторах непрерывного цикла люди уже научились поддерживать температуру 100-150млн С в течение минуты и более, что вполне подходит для поддержания реакции D-T. В импульсных реакторах достигнуть необходимой величины магнитного поля, давления и критической температуры на короткое, но достаточное для "сжигания" топлива время намного проще, чем поддерживать эти условия длительное (или бесконечно длительное) время, чем и пользуются малобюджетные частные стартапы подобные Helion Energy в гонке за пальму первенства с монстрами-токамаками HL-2M EAST, ITER и подобными, не имеющих недостатка в финансировании благодаря государственным бюджетным инвестициям. Так же как в случае с термоядерными бомбами, где время протекания реакции очень мало 10^-7 – 10^-6 сек, импульсные термоядерные реакторы с большой вероятностью опередят токамаки в первых коммерческих системах из-за простоты своей конструкции.
А замахнулись в Helion Energy, ни много ни мало, на анейтронную реакцию D-He3 как основной источник энергии. Сложность проведения термоядерной реакции можно характеризовать тройным произведением nTτ (плотность на температуру на время удержания), также известное как критерий Лоусона. По этому параметру реакция D-He3 примерно в 100 раз сложнее, чем D-T. Но и свои причины, почему все-таки стоит замахнуться на столь сложную реакцию, разумеется есть:
Во-первых, жесткое нейтронное излучение в атомных реакторах создает огромное количество проблем, из-за которых так многие люди выступают против их строительства: здесь и повышенная радиационная опасность, накопление радиоактивных отходов, высокий уровень износа реактора изнутри. Защитить внутренности реактора от износа нейтронным излучением не менее трудная задача, чем защитить его от высокой температуры плазмы, только магнитные поля в качестве основы защиты уже не помогут, ведь нейтроны не имеют заряда.
Во-вторых, снимать полезную энергию анейтронной реакции гораздо проще, чем нейтронной - поток заряженных протонов напрямую индуцирует ток, и нет потери КПД на преобразование тепла в электричество. И что особенно важно для мобильного использования и применения в условиях космоса - готовая электростанция будет в 1000 раз меньше в размерах.
В-третьих, при сопоставимом энерговыделении D+He3 с реакцией синтеза D-T, эффективное сечение реакции слияния с дейтерием больших энергий >1 МэВ у гелия-3 намного больше и растет с увеличением энергии набегающего дейтерия, а не снижается, как в случае трития. Что конечно гораздо лучше трития подходит для подобных импульсных реакторов, где необходимая компрессия достигается столкновением высокоэнергетических частиц, и где для успешного протекания реакции есть совсем немного времени.
В-четвертых, в отличие от другой конкурирующей компании TAE Technologies, создавшей похожий реактор, но использующий в качестве топлива p+B11, запустить реакцию D+He3 значительно проще, т.к. для ее работы необходимо создать гораздо менее экстремальные условия.
Похожая установка Norman от конкурирующей компании TAE Technologies
Работа установки чем-то похожа на работу дизельного двигателя внутреннего сгорания: аналогичные циклы адиабатического сжатия, воспламенения и расширения. Но вместо механических цилиндров и поршней здесь плазмой управляют мощные магнитные поля.
Получение энергии происходит в пять этапов, циклическими импульсами, с повторами всех этапов каждую секунду, или дважды в секунду - в перспективном реакторе 50 МВт следующего поколения.
1. Формирование - два плазмоида FRC конфигурации динамически формируются в противоположных концах установки последовательной сменой полярности магнитных полей;
2. Ускорение - плазмоиды разгоняются во встречных направлениях до скоростей свыше 300 км/с;
3. Слияние плазмоидов - преобразование кинетической энергии столкновения плазмоидов в тепловую энергию ионов;
4. Сжатие + слияние атомов - FRC плазмоид сжимается магнитными полями до температур реакции синтеза;
5. Генерация энергии - поток заряженной отработанной плазмы проходящий сквозь магнитное поле установки, согласно закону электромагнитной индукции Фарадея возбуждает электрический ток, часть которого используется в следующем цикле для питания магнитов, а другая часть - полезная энергия, которую можно отдать потребителям в сеть.
Теперь, когда есть общее представление, рассмотрим чуть подробнее каждый из этапов.
1. FRC конфигурация - это встречное поле с обратной связью. Плазменные пушки на обоих концах создают кольцо вращающейся самоподдерживаемой плазмы в форме тора. Внутри нее индуцируется электрический ток, создавая полоидальное магнитное поле, перевернутое по отношению к направлению внешнего магнитного поля.
Производство термоядерной энергии путем удержания плазмы с помощью магнитных полей наиболее эффективно, если силовые линии не проникают через твердые поверхности, а замыкаются в окружности или тороидальные поверхности. Токамаки и стеллараторы делают это в тороидальной камере, что позволяет в значительной степени контролировать магнитную конфигурацию, но требует очень сложной конструкции. Конфигурация с перевернутым полем предлагает альтернативу в том смысле, что силовые линии закрыты, обеспечивая самоподдерживание силами инерции, но камера имеет цилиндрическую форму, что упрощает конструкцию и обслуживание.
2-3. Два облака плазмы на каждом из ускорителей развивают скорость 300 км/сек, что дает относительную скорость столкновения 600 км/сек (0,002 скорости света). Это намного выше, чем скорость теплового движения молекул в каждом из отдельно взятых облаков плазмы, и поднимает температуру свободных электронов плазмы в области генерации ионов до килоэлектронвольтных значений. Ионная температура на данный момент достигнута на уровне 9 кэВ.
4. Дополнительное сжатие полем в центральном FRC позволяет достигнуть необходимого значения компрессии плазмы для осуществления реакции синтеза D-He3. Благодаря которому происходит самостоятельный нагрев плазмы до температуры, уже достаточной для протекания реакции синтеза D-D. Задача магнитов в центральном FRC - удержать плазму на время, достаточное для успешного завершения реакции, которое составляет менее 1 мкс.
5. После чего происходит расширение плазмы, состоящей преимущественно из положительно заряженных протонов. Теоретически, при условии создания магнитного потока от 20 мВб, разница между первоначальной силой магнитного поля затраченного для сжатия и силой магнитного поля плазмы полученной после успешной реакции синтеза составляет более 10 Тл, что позволяет извлекать выгоду и получать больше электроэнергии с тех же магнитов, чем было затрачено для их работы на сжатие. Эмпирически Q ~ 1 достигается при магнитном потоке 25 мВб.
Более высокие значения Q возможны, если применять дальнейшие ухищрения для продления времени удержания горячей плазмы высокой плотности для более полного "сгорания" топлива и достижения еще больших значений магнитного потока. Либо добиваться дальнейшего прироста температуры, линейное приращение которой почти экспоненциально увеличивает вероятность протекания реакции и ее скорость соответственно. При разработке исследовательского реактора следующего поколения разработчики поставили амбициозную цель - добиться значения Q = 8.
Все выглядит хорошо, но как же быть с редкостью гелия-3, необходимого для работы реактора? Но решение и этой проблемы предусмотрено разработчиками. Действительно, накопление первоначально необходимого для запуска объема может быть проблемой. Но в дальнейшем реактор способен нарабатывать большее количество гелия-3, чем он использует для собственных нужд. Для этого используется комбинация нескольких видов реакций в одном цикле:
1) D-D синтез с образованием свободных нейтронов и гелия-3. Образующийся в ходе этой реакции He3 прямо на месте используется в реакции D+He3.
2) n+Li6 Свободные нейтроны относительно низкой энергии 2.45 МэВ образуемые в вышеописанной реакции взаимодействуют с жидким литиевым экраном реактора (например, из расплава фтористых солей лития) - одеялом, одновременно защищающим реактор от выхода нейтронов, и осуществляющим теплообмен с внешним миром. В нем размножается тритий, который удаляется из системы в виде газа для дальнейшего использования. Тритий сам по себе возможно использовать в бета-вольтаических ячейках как источник постоянного тока, а после распада до гелия-3 - возвращать обратно в реактор как топливо.
Остаточное тепло возможно отводить и преобразовывать в электричество классическими методами в тепловом двигателе для повышения КПД системы, но это лишь дополнительный источник электричества.
3) D-D синтез с образованием протона и трития. Протоны - индуцируют ток, а потеряв большую часть кинетической энергии, вновь обретают электронную оболочку, образуют связанные пары и удаляются из реактора в виде газообразного водорода через отверстия в диверторе.
Тритий удаляется вместе с другими продуктами реакции в виде газа и помещается в аналогичное хранилище, о котором говорили выше. Реакция синтеза D–T практически не происходит из-за малого сечения реакции слияния при таких огромных энергиях набегающих дейтронов. Хотя температура внутри установки и допускает протекание подобной реакции, вероятность ее очень мала из-за чрезвычайно быстрого цикла сжатия.
4) D+He3 - наконец, то ради чего все затевалось. Львиную долю в энергетическом балансе реактора вносит реакция слияния дейтерия с гелием-3 с образованием протонов высокой энергии и гелия-4, который удаляется после каждого цикла вместе с другими продуктами реакции.
Полный топливный цикл:
Разделение смеси продуктов реакции на отдельные фракции будет производиться установками изотопной очистки. При этом проще всего очищать именно дорогой и редкий гелий-3, поскольку в отличие от изотопов водорода, он не образует целого набора полутяжелых молекул. Теоретически, для очистки гелия-3 есть несколько способов, и пока еще предстоит выяснить какой из них наиболее выгоден. Какой именно подход выбрали разработчики из Helion Energy - не раскрывается.
Что удалось достигнуть:
* по состоянию на январь 2021, Helion достигли полей компрессии, по разным источникам, от 10 до 100 Тесла
* одновременно добились температуры 100 млн C, времени жизни плазмы более 1 миллисекунды, и достаточного уровня сжатия для запуска реакции синтеза
* зарегистрировали выход нейтронов, подтверждающих успешность ядерного синтеза
* продемонстрировали съем энергии с 95% эффективностью
* разработали полный цикл самообеспечения гелием-3
Сейчас перед учеными из Helion Energy стоят не задачи из области теоретической физики, а чисто прикладные инженерные задачи, решением которых они и занимаются.
В планах создание прототипа коммерческого устройства 50 МВт класса, в котором значение Q достигнет значения 15, и последующего выхода на стоимость производства 1 кВт/ч по различным оценкам от $0.04 до $0.11. По мысли инженеров, размер предполагаемый размер электростанции - два стандартных портовых контейнера, что позволяет доставлять энергию туда, где она необходима.
Пусть цена за кВт/ч вас не пугает - ведь со стоимостью производства электроэнергии с электростанциями гигаватного класса сравнивать мягко говоря не корректно. Область применения - в первую очередь территории, где нет развитой распределительной сети, и где стоимость производства электричества очень высока. Можно будет постепенно заменять старые ТЭС на ископаемом топливе, либо наращивать существующую емкость добавляя новые реакторы Helion Energy по мере роста потребностей. Затем займутся масштабированием для получения больших мощностей генерации. Мощные энергоблоки, скорее всего, будут модульными для возможности их обслуживания без полного отключения производства и будут иметь цилиндрическую компоновку:
Управляемый термоядерный синтез: Часть 1. Сечение реакции и Критерий Лоусона
Наконец-то нашлось время на давно обещанный пост про УТС.
Итак, в прошлый раз мы разобрались что такое единица измерения температуры и энергии электронвольт (эВ) и рассмотрели два типа ядерных реакций – реакции синтеза лёгких ядер и деления тяжёлый. В этот раз рассмотрим вероятность синтеза ядер и один из основополагающих критериев термоядерного синтеза - критерий Лоусона.
Сечение реакции
Реакция ядерного синтеза, как и любой другой процесс в нашем мире, - вероятностное событие. Необходимым условием для реакции является наличие у ядер минимальной энергии, соответствующей кулоновскому барьеру: чтобы два ядра слились, а как мы помним из курса школьной физики, оба ядра у нас заряжены положительно, нужно преодолеть кулоновскую силу отталкивания и приблизить одно ядро к другому настолько близко, чтобы начали действовать между нуклонами ядерные силы.
Картинка из википедии, где r – расстояние между ядрами, а F – сила взаимодействия между ними (выше оси – отталкивание, ниже оси - притяжение):
При сближении ядер дейтерия и трития на расстояние примерно 10^-15 м, между ними начинают действовать ядерные силы притяжения, которые компенсируют и при дальнейшем сближении превышают кулоновские силы отталкивания. Однако, чтобы преодолеть барьер, требуется кинетическая энергия частиц примерно 450 кэВ для дейтерия и трития и 480 кэВ – для дейтерия и дейтерия. Из Введения мы помним, что 450 кэВ соответствует температуре 450x10^3 x 11600 = 5.2 млрд. градусов, что безумно много.
Спасает ситуацию два эффекта: 1) температура соответствует средней энергии ансамбля частиц, а значит в плазме с температурой 10 кэВ будет много частиц с значительно большей кинетической энергией; 2) туннельный эффект, который допускает преодоление кулоновского барьера частицами с меньшей энергией.
Для описания вероятности атомарных / ядерных процессов используют так называемые сечения (cross section). Для наглядности возьмём шар диаметром 10 см. Площадь проекции шара на плоскость будет 3,14/4х10^2 = 78.5 см^2. Сечение, соответствующее вероятности попадания в шар малой по сравнению с диаметром шара частицы, будет равно 78.5 см^2.
В квантовом мире, ядра частиц неправильно считать твёрдыми шарами, т.к. у них нет чёткой границы. Более того, вероятность взаимодействия частиц (синтез), помимо прочего зависит и от времени взаимодействия. Если ядра пролетают рядом друг с другом на слишком большой скорости, то вероятность их синтеза будет меньше.
Сечения основных реакций синтеза в barns (1 barn = 10^-28 м^2) в зависимости от кинетической энергии (или эквивалентной скорости) налетающей частицы:
Из рисунка видно, что сечения реакций синтеза очень маленькие. Максимальное сечение реакции синтеза дейтерия и трития, при энергии налетающего дейтона порядка 100 кэВ, равно примерно 5х10^-28 м^2.
Какой можно сделать вывод из приведённых сечений?
1) сечение реакции синтеза дейтерия и трития максимальное для энергии до 1 МэВ сравнивая с синтезом D+D и D+He3;
2) вероятность синтеза максимальна для энергии частиц 100 кэВ (100 кэВ = 1.16 млрд. градусов).
Что такое температура?
Тут, я думаю, стоит сделать небольшое отступление от темы и пару слов сказать про понятие температуры.
Так уж исторически получилось, что понятие родилось задолго до понимания самого физического явления. Под температурой в жизни мы понимаем некоторую величину, которая характеризует состояние вещества, его накопленную внутреннюю энергию. В плазме температура – мера запасённой энергии коллектива частиц (атомов / ионов / молекул / электронов). Причём именно коллектива частиц. Может ли ядро дейтерия (дейтон) иметь температуру – нет. Изолированное ядро характеризуется скоростью (импульсом) и соответствующей этой скорости кинетической энергией.
Более того, для газа (а плазма – это газ) понятие температуры применимо в случае максвелловского распределения частиц по скоростям. Ниже приведена картинка функции распределения частиц по скоростям для температуры 20 кэВ. Для удобства скорость указана не в м/с, а выражена через энергию. Примерно половина частиц будет иметь кинетическую энергию больше 20 кэВ и около 2% частиц – энергию больше 100 кэВ.
В плазме температура ионов (ядер дейтерия и трития) и электронов разная. С точки зрения ядерного синтеза нам нужна высокая температура именно ионной компоненты плазмы.
Таким образом, даже в сравнительно холодной плазмы (всего-то 20 кэВ = 232 млн. градусов) часть ядер будет иметь достаточную энергию для реакции термоядерного синтеза.
Критерий Лоусона
Итак, ранее мы определили, какие должны выполняться условия для получения термоядерных реакций, и что даже в сравнительно холодной плазме с температурой в десятки раз ниже кулоновского барьера возможен синтез и выход термоядерных нейтронов.
Условие самоподдерживающейся термоядерной реакции очень удачно записал Джон Дэвид Лоусон в 1955 (1957) году. Вывод основан на балансе получаемой термоядерной энергии в плазме и потерями энергии (тепла) из плазмы в силу неидеальности термоизоляции.
Суммарную энергию в единице объёма плазмы можно выразить через простую формулу:
где n – концентрация плазмы, k – постоянная Больцмана, а T – температура плазмы. Допустим, что плазма потеряет энергию за некоторое характерное время tao_E – время энергетического удержания. Тогда тепловые потери из плазмы (мощность) можно выразить поделив запасённую энергию на время удержания:
Число случившихся реакций синтеза в единицу времени зависит от сечения реакции, скорости (или энергии) и концентраций обоих видов частиц (дейтонов и тритонов), т.е.:
В идеале число дейтонов и тритонов должно быть одинаковым в плазме и соответственно составлять половину от полной концентрации плазмы:
Кроме этого, необходимо учесть неодинаковую скорость (энергию) частиц, т.е. учесть Максвелловское распределение частиц по скоростям. Учёт усреднения по функции распределения вероятности по скоростям записывают как <Sigma*v> - в скобочках.
Подставим в предыдущую формулу и получим:
Каждая реакция синтеза двух частиц (дейтерия и трития) даёт нам энергию, которую уносят нейтрон и альфа-частица (ядро гелия). Энергию нейтронов, к сожалению, не получается использовать для «подогрева» плазмы, т.к. частицы незаряженные и слабо взаимодействуют с ядрами дейтерия и трития. Таким образом в плазме остаётся только энергия ядра гелия E_ch. Ну и соответственно мощность «подогрева» плазмы будет равна:
Условие самоподдерживающейся термоядерной реакции – мощность термоядерного нагрева плазмы должна быть не меньше мощности тепловых потерь:
Простыми алгебраическими преобразованиями придём к формуле (критерий Лоусона):
Правая часть формулы зависит только от температуры плазмы Т, левая – произведение плотности плазмы (концентрации) и времени удержания. Физический смысл формулы – произведение плотности плазмы и времени удержания (время характеризующее тепловые потери из плазмы) должно быть больше некоторой функции, зависящей только от температуры и типа реакции синтеза.
Для разных термоядерных реакций функция n*tao_E от температуры (картинка из википедии):
По рисунку видно, что функция минимальна для реакции дейтерия и трития и минимум (1,5*10^20 с/м^3) достигается при температуре 26 кэВ.
Два типа термоядерных реакторов
Критерий Лоусона значит, что для реализации самоподдерживающейся термоядерной реакции при заданной температуре произведение концентрации плазмы и времени удержания должно быть выше некоторого значения, определяемого только температурой плазмы и видом термоядерной реакции. Отсюда следует два подхода к реализации самоподдерживающейся термоядерной реакции:
1) большое время удержания и сравнительно низкая концентрация плазмы (установки с магнитным удержанием плазмы – токамаки, стеллараторы и т.п.)
2) большая концентрация и сравнительно низкое время удержания (установки инерциального синтеза – лазерный термояд, пинчи и т.п.)
Более того, минимальные требования к критерию Лоусона достигаются для D-T реакции при температуре около 26 кэВ. Следующая реакция - синтез D-D требует температуру примерно 1000 кэВ. Но эти значения даны именно для самоподдерживающейся реакции, т.е. энергии ядерного синтеза достаточно для поддержания температуры плазмы. В том случае, если используются внешние источники нагрева, как это происходит в современных экспериментальных плазменных установках, реакции синтеза происходят и при более низких температурах, но эти реакции прекращаются при выключении дополнительного нагрева плазмы.
Вместо выводов
Надеюсь теперь понятно, почему самоподдерживающаяся реакции синтеза легко достижимы в звёздах (высокая плотность и огромное время удержания) и крайне проблематична в условиях Земли.
В следующий раз рассмотрим принцип работы токамака, как одного из типов перспективных установок для УТС.
Китай установил новый рекорд продолжительности термоядерного синтеза — 101 секунда при 120 млн градусов
По сообщению китайских источников, опытный термоядерный реактор HL-2M Tokamak в научном центре Чэнду установил абсолютный мировой рекорд по продолжительности искусственной термоядерной реакции. При температуре 120 млн °C реакций поддерживалась 101 секунду. Установленный корейцами предыдущий рекорд — 20 секунд при 100 млн °C — побит окончательно и бесповоротно. Новые открытия не за горами.
Реактор HL-2M принят в эксплуатацию в декабре прошлого года. Новая установка позволила в три раза поднять температуру в рабочей зоне, где в магнитных полях удерживается разогретая плазма. Установка позволяет нагревать плазму до 150 млн °C и даже выше. С нагревом плазмы до 160 млн °C реактор работал 20 секунд. Представляется маловероятным, что кто-то в ближайшее время сможет побить поставленные в Китае рекорды.
На основе проекта HL-2M, который также носит название EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak), предполагается собрать научные данные для создания прототипа промышленного термоядерного реактора к 2035 году, начало строительства которого запланировано на текущий год, и создать полноценную индустрию термоядерной энергетики в Китае к 2050 году. Ожидается, что HL-2 позволит удерживать разогретую до 100 млн °C плазму в течение 1000 секунд (примерно 17 минут).
Также опыты на HL-2M помогут получить ценную информацию для запуска и эксплуатации термоядерного реактора ITER, который содружество стран строит на юге Франции. Завершение строительства реактора ITER ожидается к 2025 году с выводом на полную мощность к 2035 году.
https://3dnews.ru/1040932/kitay-ustanovil-noviy-rekord-prodo...
Китайский токамак установил новый мировой рекорд по времени удержания плазмы
В пятницу, 28 мая, на токамаке EAST прошел эксперимент, результаты которого крайне важны для мировой термоядерной энергетики. «Китайское рукотворное солнце» разогрело плазму до температуры почти в семь раз выше, чем в недрах природного светила, и удерживало ее на протяжении более чем полутора минут.
Вакуумная камера EAST, вид снаружи / ©Xinhua
Как пишет официальное китайское новостное агентство Синьхуа, максимальная электронная температура (средняя энергия электронов) плазмы достигла 160 миллионов градусов Цельсия. Такие параметры жгута ионизированного газа токамак удерживал 20 секунд. А при 120 миллионах градусов установка проработала 101 секунду.
Китайский экспериментальный термоядерный реактор EAST превзошел предыдущий рекорд длительности более чем в пять раз. Напомним, его установили корейские физики на токамаке KSTAR: они смогли удержать плазму температурой в 100 миллионов градусов на протяжении 20 секунд.
Потрясающих результатов удалось добиться специалистам Института физики плазмы Китайской академии наук (ASIPP). Подробности своего достижения они, судя по всему, опубликуют в рецензируемом журнале, а пока поделились успехом в формате пресс-релиза. Так что детали остаются под завесой тайны. Известно лишь, что на подготовку к эксперименту ушел год непрерывной работы. В конструкцию токамака EAST, расположенного в городском округе Хэфей, внесли множество изменений, позволивших улучшить показатели стабильности плазмы.
Китайский экспериментальный продвинутый сверхпроводящий токамак EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) — важный элемент международной кооперации в проекте создания экспериментального термоядерного реактора (ITER). Он представляет собой одну из немногих в мире подобных установок с полностью сверхпроводящей магнитной системой, которую создали на основе ниобий-титановых проводников. На EAST ведутся исследования как можно более долгого удержания высокотемпературной плазмы для технологий термоядерного синтеза.
Вакуумная камера EAST изнутри полностью облицована металлическими плитками. Ее малый радиус — 40 сантиметров, а большой — 1,7 метра. Внизу камеры установили вольфрамовый дивертор, охлаждаемый водой. Максимальная интенсивность тороидального магнитного поля установки достигает 3,5 тесла. Для сравнения: магнитное поле Земли колеблется между 25-65 микротесла, а установки для МРТ — 0,5-1,5 тесла (существуют экспериментальные приборы мощностью до 10,5 тесла). Во время рекордного эксперимента сила тока в плазме превысила 500 килоампер.
Что интересно, этот токамак разработали на базе установки H-7, созданной китайскими физиками в 1990-х при непосредственном участии российских специалистов. Налицо радикальный прогресс технологий Поднебесной: на сегодня EAST — один из самых продвинутых и во многом уникальных реакторов такого типа в мире. Именно полученные во время последнего эксперимента данные могут сыграть ключевую роль в обеспечении работоспособности ITER.
Несмотря на впечатляющие достижения китайских физиков и их коллег по всему свету, даже 120 миллионов градусов на протяжении полутора минут, скорее всего, будет недостаточно для промышленного термоядерного реактора. На ITER, сборка которого наконец-то началась прошлым летом, планируют «зажечь» плазму на 150 миллионов кельвинов и удерживать не менее 400 секунд. А это тоже экспериментальная установка — первый прототип энергетически эффективного реактора создадут только к середине XXI века. Остается завидовать Солнцу, в недрах которого благодаря уникальным условиям (в том числе колоссальному давлению) термоядерные реакции прекрасно протекают при «всего» 12-14 миллионах градусов.
P.S. Хорошо, что и у нас хоть и с опозданием, но тоже началось осмысленное движение
В России запустили термоядерную установку токамак Т-15МД
Состоялся физический пуск токамака Т-15МД
P. P. Khvostenko et al. / Fusion Engineering and Design, 2015
В Курчатовском институте состоялся успешный физический пуск токамака Т-15МД, который стал первой за 20 лет новой термоядерной установкой в России. Ожидается, что на нем будут проводиться как эксперименты в рамках проекта термоядерного реактора ITER, так и эксперименты в рамках разработки гибридного реактора, сообщает ТАСС.
Основной целью исследований в области управляемого термоядерного синтеза во всем мире является создание промышленного реактора, который будет способен генерировать электроэнергию, используя реакции слияния ядер изотопов водорода, в частности дейтерия и трития.
Предполагается, что высокоэнергетичные нейтроны, которые рождаются в ходе реакций, будут попадать в бланкет реактора, где отдадут свою энергию теплоносителю или поучаствуют в наработке трития из лития. Однако если в бланкет загрузить различные виды ядерного топлива, например уран-238, торий-232 или минорные актиниды из отработанного топлива, то получится гибридный реактор, который будет способен нарабатывать ядерное топливо или заниматься трансмутацией долгоживущих высокоактивных отходов. Подобные установки привлекательны для ученых, так как требования к ним ниже, чем к термоядерным реакторам.
Т-15МД представляет собой экспериментальный гибридный термоядерный реактор-токамак, который создавался в Курчатовском институте на базе сверхпроводящего токамака Т-15. Ожидается, что в ходе его работы будут проводиться как эксперименты в рамках проекта международного экспериментального термоядерного реактора ITER, так и эксперименты, в которых токамак будет выступать как прототип термоядерного источника нейтронов.
Электромагнитная система и вакуумная камера токамака Т-15МД. Отмечены различные типы управляющих катушек магнитного поля.
P. P. Khvostenko et al. / Fusion Engineering and Design, 2015
Т-15МД не является сверхпроводящим — его магнитная система сделана из серебросодержащего медного проводника с водяным охлаждением. Сам токамак близок к сферомаку (его аспектное отношение равно 2,2), будет работать в импульсном режиме и способен удерживать в течение десяти секунд плазму с максимальным током в два мегаампера. Тороидальное магнитное поле на оси плазменного шнура составит два Тесла. За дополнительный нагрев плазмы будут отвечать инжекторы быстрых атомов, гиротроны, системы нижнегибридного и ионно-циклотронного нагрева, общей мощностью около 20 мегаватт. Вакуумная камера установки сделана из нержавеющей стали, в качестве материала облицовки внутренних стенок и дивертора выбран графит.
18 мая 2021 года в Курчатовском институте успешно прошла церемония физического пуска термоядерной установки Т-15МД, на которой присутствовал премьер-министр Михаил Мишустин. По словам научного руководителя Комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий Петра Хвостенко физический пуск подразумевает собой демонстрацию работоспособности всех технологических систем токамака с получением низкотемпературной плазмы, а дальнейшая работа на установке будет связана с постепенным увеличением тока разряда, и, как следствие, температуры плазмы. Работа с высокотемпературной плазмой начнется до конца этого года.
В беседе с N + 1 научный руководитель АО «НИИЭФА», которое участвовало в создании установки, Олег Филатов отметил, что от старой установки Т-15 осталась лишь инфраструктура, которая модернизируется, а все основные элементы Т-15МД сделаны заново. Сама установка играет одну из главных ролей в национальной термоядерной программе, а результаты, полученные на ней, будут использоваться при разработке будущего сверхпроводящего Токамака с Реакторными Технологиями (TRT), который должен стать полномасштабным прототипом термоядерного реактора и источника нейтронов для гибридного реактора.
Попытки «приручить» термоядерные реакции ведутся как на международном уровне, так и на частном. Подробнее об успехах частных компаний можно узнать из нашего блога и материала.
Александр Войтюк
Есть ли будущее у управляемого термоядерного синтеза?
Привожу ролик с беседой с д.т.н. И.С.Острецовым на эту тему (https://www.youtube.com/watch?v=BYtTwut1CmQ) . Ролик старый ( 2017 года), а тема - где брать энергию для прогресса человечества старая.
Ключевая информация с 3.00 до 7.00мин.
Ролик будет интересен тем, точнее строго будет интересен только тем кто интересуется данной темой.
Справочно: во время ликвидации последствий катастрофы Чернобыльской АЭС И.С.Острецов был руководителем группы специалистов Минэнергомаша на самой площадке ЧАЭС и по сравнению с руководителями других таких же групп привлеченных министерств и ведомств имел наибольшее количество человеко дней работы в 1986-1987 гг в условиях зараженных радиацией объектов ЧАЭС.