Попытки укротить термоядерную энергию и создать мирные экологичные электростанции ведутся с 1960-х. В преддверии Дня российской науки публикует колонку проректора МИФИ о прорывах в этой области и знаковых установках.
Об эксперте: Андрей Кузнецов, доктор физико-математических наук, проректор НИЯУ МИФИ, главный научный сотрудник кафедры физики лазерного термоядерного синтеза Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ.
Попытками укротить термоядерную энергию и получить вместо разрушительной водородной бомбы мирные и при этом экологичные электростанции человечество занимается с начала 1960-х. Все эти годы ученые обещают, что открытие управляемого термоядерного синтеза — дело ближайшего будущего. И, похоже, появилась надежда, что эти прогнозы сбудутся. Одна из причин — строительство большого количества масштабных экспериментальных установок.
Что показало строительство ИТЭР
Строительство экспериментального термоядерного реактора ИТЭР во Франции решает практическую задачу получения энергии термоядерного синтеза в промышленных масштабах. Первое и самое главное, что показал проект, — это принципиальная возможность построить мегасайенс проект международным сообществом. Ведь его особенность в том, что он создается в условиях, когда нет действующих технологий, не проверены даже многие инженерные первопринципы.
Все приходится делать одновременно: проводить исследования и очень быстро переводить их в конструкторские разработки, потом в «железо», а затем уже само строительство. То есть это очень сложная организационная задача, когда, к тому же, никто не знает, что из всего этого получится. Адронный коллайдер по сравнению с этим довольно простой пазл для инженера-физика: ускорители — многократно проверенная технология без особых сюрпризов.
Первая особенность токамака в том, что эффективность зажигания пропорциональна масштабу, а увеличивая масштаб, вы обнаруживаете новые проблемы, которых на малом масштабе не существует. Меняется все — температура, время удержания, конструкция и так далее. Внутри вакуумной камеры токамака температура плазмы должна быть более 100 миллионов градусов, а магнитные катушки из сверхпроводников, удерживающие плазму, охлаждаются жидким гелием до температуры минус 269 градусов Цельсия. Колоссальный инженерный вызов.
Одна из ключевых и пока еще не решенных проблем — нагрузка на первую стенку в термоядерных реакторах типа токамак. Первая стенка обращена к плазме и служит для защиты внутренней оболочки от воздействия потоков тепла и высокоэнергетических частиц. Идет поиск наиболее эффективного решения — предлагается использовать, в том числе, жидкометаллическую стенку из лития.
Кстати, изначально было решено, что все технологии, полученные в рамках этой работы, безвозмездно, то есть даром, достаются всем участникам этого проекта. Сейчас это десять ведущих стран планеты, включая Россию.
Но в то же время ИТЭР показал, что, к сожалению, в таком большом международном сообществе меняется целеполагание. Достижение результата перестает быть главным, а процесс становится преобладающим. И это приводит к проеданию ресурсов и денег. Сейчас ИТЭР стоит уже больше 25 миллиардов долларов, а сроки окончания строительства съезжают все дальше и дальше.
Уже сейчас мы видим результаты этой деятельности — затягивание сроков строительства с одной стороны, а с другой — китайцы строят два токамака одновременно. И, по-видимому, именно в Китае зажгут термоядерную реакцию в условиях непрерывного горения, которое можно использовать для термоядерной электростанции.
Что нужно токамаку
Для зажигания термоядерной реакции в токамаке необходимо одновременно соблюсти три условия: достичь высокой температуры (более 100 миллионов градусов), удержать плазму достаточно долго (более одной секунды) и обеспечить необходимую плотность плазмы. В токамаках плотность плазмы порядка 100 биллионов частиц в кубическом сантиметре (эта плотность в сто тысяч раз меньше плотности воздуха). Долгое время считалось, что плотность плазмы жестко ограничена правилом, известным как предел Гринвальда. Результаты экспериментов на китайском токамаке EAST показали, что это ограничение можно обойти, изменив физику взаимодействия плазмы со стенками реактора. Используя модифицированный сценарий импульса плазмы в токамаке, они достигли плотности плазмы, превышающей исторический лимит на 65 процентов, сохраняя при этом полную стабильность системы.
Работа команды EAST — это значительный шаг в понимании физических процессов в горящей плазме, в том числе для реализации стационарного, то есть непрерывного, режима работы токамака-реактора.
А лазеры лучше!
Альтернативную технологию — лазерный термоядерный синтез — тоже ни в коем случае нельзя сбрасывать со счетов. Это перспективная альтернатива магнитному удержанию плазмы.
Сейчас в неофициальной гонке термоядерных мегасайенс-машин на первое место выходят лазерные устройства, а именно NationalIgnition Facility (NIF), Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций США в Ливерморе. Это огромная фабрика лазерной энергии, где лазерные пучки фокусируются в вакуумной камере на микрокапсулу с термоядерным топливом, сжимают его в тысячи раз, в результате топливо разогревается и зажигается термоядерная реакция.
Почему это специфический вид мегасайенс-установки? Потому что эта установка строится одной страной. Это принципиально по многим соображениям — в первую очередь, это необходимость неразглашения тех технологий, которые создаются в рамках этого мегасайенс-проекта, а также локализации и концентрации интеллектуальных ресурсов. Результаты первых пяти лет работы, с 2009-го по 2014-й, не внушали оптимизма. Его даже хотели закрыть. Первый директор NIF Джозеф Мозес говорил, что «главное не то, что нам выделили три с половиной миллиарда долларов на его строительство, а то, что нам пятнадцать лет не мешали». И вот в декабре 2022-го произошел прорыв: при использовании лазерной энергии в 2,05 мегаджоуля получили в полтора раза больше энергии, выделившейся в термоядерной вспышке, — 3,15 мегаджоуля.
Эксперимент заключался в том, что на капсулу размером с бусину, содержащую 220 микрограммов топлива, направили лучи 192 мощных лазерных пучков. В момент импульса в месте их фокусировки температура составила 151 миллион градусов Цельсия, а давление — 600 миллионов атмосфер, то есть было намного жарче и плотнее, чем в недрах Солнца. В этих условиях ядра водорода слились, образуя гелий, и произошел выброс энергии длительностью в несколько миллиардных долей секунды.
Более того, NIF продолжает улучшать результаты: в апреле 2025 года получено 8,6 мегаджоуля, то есть коэффициент термоядерного усиления Q по сравнению с лазерной энергией в мишенной камере уже равен четырем. Важно, что впервые именно в лазерном подходе продемонстрировано горение термоядерного топлива. Когда США начали строить NIF в 1997 году, они первые десять лет занимались тем, что со всего мира собирали людей — носителей уникальных технологий. Это привело к тому, что спустя почти тридцать лет мировое сообщество считает их работу эталоном — как нужно создавать, развивать и работать над мегасайенс-проектами. После серии неудач они приложили серьезные усилия для теоретического понимания происходящих процессов: создали сложные суперкомпьютерные численные коды, моделирующие поведение вещества при таких экстремальных условиях, разработали системы для измерения параметров плазмы и другие сопутствующие технологии.
Близкая по параметрам установка LMG сейчас наращивает энергетику во Франции, работает первая очередь УФЛ-2M в Сарове, и в близкой перспективе она может стать самой мощной в этом классе мегасайенс-проектов. Есть подобная установка ShenGuan-3 в Китае, и строится более мощная.
Когда финиш
Экс-директор Троицкого института инновационных и термоядерных исследований Владимир Черковец как-то пошутил, что знает, когда запустят у нас первую термоядерную станцию. Это будет 2054 год, потому что в России принято масштабно отмечать столетние юбилеи. Ведь первая в мире атомная электростанция была запущена в 1954 году в Обнинске. И это коррелирует по срокам с тем, что сейчас в мире происходит. То, что китайцы делают и планируют сделать, то, что мы собираемся делать. К 2050 году, после получения проектных результатов, в рамках проекта ИТЭР планируется переход к созданию установок следующего поколения — DEMO.
Это прототип будущей коммерческой термоядерной электростанции, который решает задачи интеграции новых материалов и технологий для длительной непрерывной работы термоядерного реактора. Ближе к середине этого века будет понятно, насколько мы приблизились к созданию святого Грааля энергетики — управляемому термоядерному синтезу, источнику неисчерпаемой, экологически чистой и безопасной энергии. Правда, может так получиться, и к этому есть предпосылки, что первую в мире лампочку на термоядерной энергии китайцы смогут зажечь уже в первой половине 2030-х.
#КуZбасс #ZаРодину #ZаПобеду #ЗаРоссию #ZаМир #kuZinfoZaПобеду #куZинфоZаПобеду #куZинфоЗАпобеду #ZаПрезидента #ZаПутина #ZaPutina
Официальные аккаунты КузИнфо.ру в соцсетях: Одноклассники, ВКонтакте, X - KuzInfo, Яндекс Дзен, Rutube
