Энергия термоядерного синтеза: Энергия термоядерного синтеза, исследование термоядерного синтеза, ИТЭР| МАГАТЭ

Вместо того, чтобы просто использовать дейтерий в качестве термоядерного топлива, ITER будет использовать дейтерий, смешанный с тритием, другим изотопом водорода. Смесь дейтерия и трития дает наилучшие шансы получить значительно больше энергии, чем вложено. Сторонники термоядерной энергии говорят, что одна из причин безопасности технологии заключается в том, что топливо необходимо постоянно подавать в реактор, чтобы поддерживать термоядерный синтез. безудержная реакция невозможна.

Дейтерий может быть извлечен из морской воды, поэтому его запасы практически безграничны. Но считается, что во всем мире существует только 20 кг трития, поэтому его придется производить на термоядерных электростанциях (ИТЭР будет разрабатывать технологию для «размножения» трития). Хотя некоторые радиоактивные отходы будут производиться на термоядерном заводе, их срок службы составит около 100 лет, а не тысячи лет после деления.

На момент написания в сентябре исследователи термоядерного реактора Joint European Torus (JET) в Оксфордшире должны были начать свои реакции синтеза дейтерия и трития.«JET поможет ИТЭР выбрать параметры машины для оптимизации мощности термоядерного синтеза», – говорит д-р Жоэль Майю, один из руководителей научных программ JET. Эти параметры будут включать в себя поиск наилучшей комбинации дейтерия и трития и определение того, как увеличивается ток в магнитах до начала синтеза.

Основа, заложенная в JET, должна ускорить усилия ИТЭР по достижению чистого прироста энергии. ИТЭР произведет «первую плазму» в декабре 2025 года и выйдет на полную мощность в течение следующего десятилетия.Температура его плазмы достигнет 150 000 000 ° C, а его цель – производить 500 мегаватт термоядерной энергии на каждые 50 мегаватт входной тепловой мощности.

«Если ИТЭР будет успешным, он устранит большую часть, если не все, сомнения относительно науки и высвободит деньги для развития технологий», – говорит Люс. Эта технология будет представлять собой демонстрационные термоядерные электростанции, которые фактически производят электричество. «ИТЭР открывает дверь и говорит: да, это работает – наука есть».

Подробнее о возобновляемых источниках энергии:

используется новейшая физика для повышения выработки энергии

Автор: У.S. Министерство энергетики 8 ноября 2021 г.

Компактный усовершенствованный токамак (CAT) – потенциально экономичное решение для производства термоядерной энергии, в котором используются преимущества в области моделирования и технологий. Кредит: Изображение любезно предоставлено General Atomics. Графика токамака модифицирована по материалам Ф. Наджмабади и др., Усовершенствованный токамак ARIES-AT, Термоядерная электростанция передовых технологий, Fusion Engineering Design, 80, 3-23 (2006).

Термоядерные электростанции используют магнитные поля для удержания шара с токонесущим газом (называемым плазмой).Это создает миниатюрное солнце, которое генерирует энергию за счет ядерного синтеза. Концепция компактного усовершенствованного токамака (CAT) использует современные физические модели для потенциального улучшения производства термоядерной энергии. Модели показывают, что за счет тщательного формирования плазмы и распределения тока в плазме операторы термоядерной установки могут подавить турбулентные завихрения в плазме. Эти водовороты могут вызвать потерю тепла. Это позволит операторам достичь более высоких давлений и мощности плавления при более низком токе. Этот прогресс может помочь достичь состояния, при котором плазма поддерживает себя и управляет большей частью собственного тока.

В этом подходе к реакторам токамака улучшенная производительность при пониженном токе плазмы снижает напряжение и тепловые нагрузки. Это облегчает некоторые инженерные и материальные проблемы, с которыми сталкиваются проектировщики термоядерных заводов. Более высокое давление также увеличивает эффект, когда движение частиц в плазме естественным образом генерирует необходимый ток. Это значительно снижает потребность в дорогостоящих системах привода тока, которые снижают потенциальную выходную электрическую мощность термоядерной установки. Это также позволяет использовать стационарную конфигурацию «всегда включен».Такой подход приводит к тому, что электростанции испытывают меньшую нагрузку во время работы, чем типичные импульсные подходы к термоядерной энергии, что позволяет использовать меньшие и менее дорогие электростанции.

За последний год Консультативный комитет по наукам о термоядерной энергии Министерства энергетики (DOE) и Национальные академии наук, инженерии и медицины выпустили дорожные карты, призывающие к агрессивному развитию термоядерной энергии в Соединенных Штатах. Исследователи считают, что для достижения этой цели требуется разработка более эффективных и экономичных подходов к созданию термоядерной энергии, чем существующие в настоящее время.Подход, использованный для создания концепции CAT, позволил разработать новое моделирование реактора, в котором используются новейшие знания физики плазмы для повышения производительности. Исследователи объединили новейшую теорию, подтвержденную в Национальном центре термоядерного синтеза DIII-D, с передовыми вычислениями с использованием суперкомпьютера Cori в Национальном научном вычислительном центре энергетических исследований. Эти симуляции определили путь к концепции, обеспечивающей более производительную, в основном самоподдерживающуюся конфигурацию, которая удерживает энергию более эффективно, чем типичные импульсные конфигурации, что позволяет создавать ее с меньшим масштабом и меньшими затратами.

Ссылка: «Усовершенствованный путь токамака к экспериментальной установке компактного электросварного термоядерного синтеза», автор R.J. Баттери, J.M. Park, J.T. МакКленаган, Д. Вайсберг, Дж. Каник, Дж. Феррон, А. Гарофало, К. Холкомб, Дж. Лойер, П. Снайдер и команда проекта Atom, 19 марта 2021 г., Nuclear Fusion .
DOI: 10.1088 / 1741-4326 / abe4af

Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики, Управлением науки о термоядерной энергии на базе Национального центра термоядерного синтеза DIII-D, пользовательского центра Управления науки Министерства энергетики и проекта AToM Scientific Discovery через Advanced Computing.

DOE объясняет … Наука о термоядерной энергии | Министерство энергетики

Наука о термоядерной энергии – это мультидисциплинарная область, сфокусированная на науке, необходимой для разработки источника энергии на основе управляемой реакции термоядерного синтеза. Слияние происходит, когда два ядра объединяются, чтобы сформировать новое ядро. Этот процесс происходит в нашем Солнце и других звездах. Создание условий для термоядерного синтеза на Земле включает в себя создание и поддержание плазмы. Плазма – это настолько горячий газ, что электроны освобождаются от ядер атомов.Исследователи используют электрические и магнитные поля, чтобы контролировать результирующий сбор ионов и электронов, потому что они имеют электрические заряды. При достаточно высоких температурах ионы могут преодолевать отталкивающие электростатические силы и сливаться вместе. Этот процесс – синтез – высвобождает энергию.

Департамент науки Министерства энергетики: вклад в науку о термоядерной энергии

Государственная поддержка исследований и разработок в области термоядерной энергии в США началась в 1950-х годах Комиссией по атомной энергии, предшественницей Министерства энергетики.Поддержка термоядерного синтеза продолжается в Управлении науки Министерства энергетики, которое руководит продолжающимися исследованиями в области научных основ удержания плазмы и других областях, связанных с термоядерной энергией. Программа DOE по термоядерной энергии помогает исследователям координировать многие фундаментальные науки, связанные с термоядерным синтезом, включая физику плазмы, ядерную инженерию и передовые научные вычисления. Ученые могут создавать условия для синтеза с помощью различных методов, в которых используются различные магнитные, электрические и другие методы для формирования плазмы и управления ею.Например, исследовательские установки магнитного удержания в Соединенных Штатах и ​​Соединенном Королевстве помогли исследователям лучше понять, как поддерживать термоядерные реакции и даже генерировать из них энергию. Этот прогресс стал стимулом для международного сотрудничества в эксперименте ITER, целью которого является создание и управление экспериментом с горящей плазмой, основанным на концепции магнитного удержания, называемой токамаком. Вклад США в ИТЭР управляется программой Fusion Energy Sciences (FES) в рамках Министерства науки.После постройки ИТЭР станет крупнейшим в мире международным научно-исследовательским центром.

Fusion Energy Science Quick Facts

• Fusion предлагает потенциальный долгосрочный источник энергии, который использует обильные запасы топлива и не производит парниковых газов или долгоживущих радиоактивных отходов.
• Синтез выделяет энергию, потому что масса связанного ядра меньше массы составляющих его протонов и нейтронов; дефицит массы преобразуется в энергию с помощью уравнения Эйнштейна (E = mc ² ).
• Пикап, наполненный термоядерным топливом, имеет энергию, эквивалентную 2 миллионам метрических тонн угля или 10 миллионам баррелей нефти.

Ресурсы и связанные с ними термины

Благодарности

Мэтью Ланктот, Управление науки Министерства энергетики США

Научные термины могут сбивать с толку. DOE Explains предлагает простые объяснения ключевых слов и концепций фундаментальной науки. В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики США, поскольку это помогает Соединенным Штатам преуспевать в исследованиях по всему научному спектру.

Ядерный синтез: WNA – Всемирная ядерная ассоциация

(обновлено в августе 2021 г.)

• Термоядерная энергия открывает перед будущими поколениями практически неисчерпаемый источник энергии, но при этом создает нерешенные технические проблемы.
• Основная задача состоит в том, чтобы достичь скорости тепла, выделяемой термоядерной плазмой, которая превышает скорость энергии, вводимой в плазму.
• Основная надежда связана с реакторами токамаков и стеллараторами, которые удерживают дейтериево-тритиевую плазму магнитным способом.

Сегодня многие страны в той или иной степени участвуют в исследованиях термоядерного синтеза, возглавляемые Европейским союзом, США, Россией и Японией, при этом активные программы также реализуются в Китае, Бразилии, Канаде и Корее. Первоначально исследования термоядерного синтеза в США и СССР были связаны с разработкой атомного оружия и оставались засекреченными до конференции «Атом для мира» в Женеве в 1958 году.После прорыва на советском токамаке в 1970-е годы термоядерные исследования стали «большой наукой». Но стоимость и сложность задействованных устройств возросли до такой степени, что международное сотрудничество стало единственным путем вперед.

Термоядерный синтез приводит в действие Солнце и звезды, когда атомы водорода сливаются вместе, образуя гелий, и материя преобразуется в энергию. Водород, нагретый до очень высоких температур, превращается из газа в плазму, в которой отрицательно заряженные электроны отделены от положительно заряженных ядер атомов (ионов).Обычно синтез невозможен, потому что сильно отталкивающие электростатические силы между положительно заряженными ядрами не позволяют им сблизиться достаточно близко друг к другу, чтобы столкнуться и произойти слияние. Однако, если условия таковы, что ядра могут преодолевать электростатические силы до такой степени, что они могут находиться на очень близком расстоянии друг от друга, тогда ядерная сила притяжения (которая связывает протоны и нейтроны в атомных ядрах) между ядрами перевешивает отталкивающую (электростатическую) силу, позволяя ядрам сливаться вместе.Такие условия могут возникать при повышении температуры, в результате чего ионы перемещаются быстрее и в конечном итоге достигают скорости, достаточно высокой, чтобы сблизить ионы достаточно близко друг к другу. Затем ядра могут сливаться, вызывая высвобождение энергии.

Технология Fusion

На Солнце мощные гравитационные силы создают подходящие условия для термоядерного синтеза, но на Земле их гораздо труднее достичь. Термоядерное топливо – различные изотопы водорода – должно быть нагрето до экстремальных температур порядка 50 миллионов градусов по Цельсию и должно оставаться стабильным при интенсивном давлении, следовательно, достаточно плотным и ограниченным в течение достаточно длительного времени, чтобы ядра могли слиться.Целью программы исследований управляемого термоядерного синтеза является достижение «воспламенения», которое происходит, когда происходит достаточно реакций термоядерного синтеза, чтобы процесс стал самоподдерживающимся, с добавлением свежего топлива для его продолжения. После воспламенения возникает чистый выход энергии – примерно в четыре раза больше, чем при ядерном делении. По данным Массачусетского технологического института (MIT), количество производимой энергии увеличивается пропорционально квадрату давления, поэтому удвоение давления приводит к четырехкратному увеличению производства энергии.

При современных технологиях реакция наиболее вероятна между ядрами двух тяжелых форм (изотопов) водорода – дейтерия (D) и трития (T). Каждое событие синтеза D-T высвобождает 17,6 МэВ (2,8 x 10 ^-12 джоуль, по сравнению с 200 МэВ для деления U-235 и 3-4 МэВ для синтеза D-D). ^a По массе реакция синтеза D-T выделяет в четыре раза больше энергии, чем при делении урана. Дейтерий естественным образом встречается в морской воде (30 граммов на кубический метр), что делает его очень распространенным по сравнению с другими энергетическими ресурсами.Тритий в природе встречается только в следовых количествах (образуется космическими лучами) и является радиоактивным с периодом полураспада около 12 лет. Используемые количества могут быть получены в обычном ядерном реакторе или, в данном контексте, получены в термоядерной системе из лития. ^b Литий содержится в больших количествах (30 частей на миллион) в земной коре и в более слабых концентрациях в море.

В термоядерном реакторе концепция состоит в том, что нейтроны, генерируемые в результате реакции синтеза D-T, будут поглощаться бланкетом, содержащим литий, который окружает активную зону.Затем литий превращается в тритий (который используется в качестве топлива для реактора) и гелий. Бланкет должен быть достаточно толстым (около 1 метра), чтобы замедлять нейтроны высокой энергии (14 МэВ). Кинетическая энергия нейтронов поглощается бланкетом, вызывая его нагрев. Тепловая энергия собирается теплоносителем (вода, гелий или эвтектика Li-Pb), протекающим через бланкет, и на термоядерной электростанции эта энергия будет использоваться для выработки электричества обычными методами. Если производится недостаточное количество трития, необходимо использовать какой-либо дополнительный источник, такой как использование реактора деления для облучения тяжелой воды или лития нейтронами, а посторонний тритий создает трудности при обращении, хранении и транспортировке.

Трудность заключалась в разработке устройства, которое могло бы нагревать топливо D-T до достаточно высокой температуры и удерживать его достаточно долго, чтобы в реакциях синтеза выделялось больше энергии, чем используется для запуска реакции. Хотя в центре внимания находится реакция D-T, в долгосрочной перспективе возлагаются надежды на реакцию D-D, но для этого требуются гораздо более высокие температуры.

В любом случае задача состоит в том, чтобы использовать тепло для нужд человека, в первую очередь для выработки электроэнергии. Плотность энергии реакций синтеза в газе намного меньше, чем для реакций деления в твердом топливе, и, как уже отмечалось, выход тепла на реакцию в 70 раз меньше.Следовательно, термоядерный синтез всегда будет иметь гораздо более низкую плотность мощности, чем ядерное деление, а это означает, что любой термоядерный реактор должен быть больше и, следовательно, более дорогостоящим, чем реактор деления с той же выходной мощностью. Кроме того, в ядерных реакторах деления используется твердое топливо, которое плотнее термоядерной плазмы, поэтому выделяемая энергия более концентрирована. Также энергия нейтронов от термоядерного синтеза выше, чем от деления – 14,1 МэВ вместо примерно 2 МэВ, что создает серьезные проблемы для конструкционных материалов.

В настоящее время изучаются два основных экспериментальных подхода: магнитное удержание и инерционное удержание. Первый метод использует сильные магнитные поля для сдерживания горячей плазмы. Во втором случае небольшая таблетка, содержащая термоядерное топливо, сжимается до чрезвычайно высокой плотности с помощью мощных лазеров или пучков частиц.

Магнитное удержание

При термоядерном синтезе с магнитным удержанием (MCF) сотни кубических метров D-T плазмы с плотностью менее миллиграмма на кубический метр удерживаются магнитным полем при давлении в несколько атмосфер и нагреваются до температуры термоядерного синтеза.

Магнитные поля идеально подходят для удержания плазмы, потому что электрические заряды на разделенных ионах и электронах означают, что они следуют за линиями магнитного поля. Цель состоит в том, чтобы предотвратить соприкосновение частиц со стенками реактора, поскольку это рассеивает их тепло и замедляет их работу. Наиболее эффективная магнитная конфигурация – тороидальная, в форме бублика, в которой магнитное поле изогнуто, образуя замкнутый контур. Для надлежащего ограничения на это тороидальное поле должно быть наложено перпендикулярное поле (полоидальное поле).Результатом является магнитное поле с силовыми линиями, движущимися по спирали (винтовой) траектории, которая ограничивает и контролирует плазму.

Существует несколько типов тороидальных систем удержания, наиболее важными из которых являются токамаки, стеллараторы и пинч-устройства с обращенным полем (RFP).

В токамаке тороидальное поле создается серией катушек, равномерно расположенных вокруг тороидального реактора, а полоидальное поле создается системой горизонтальных катушек вне структуры тороидального магнита.Сильный электрический ток индуцируется в плазме с помощью центрального соленоида, и этот индуцированный ток также вносит вклад в полоидальное поле. В стеллараторе спиральные силовые линии образуются серией катушек, которые сами могут иметь спиральную форму. В отличие от токамаков, стеллараторы не требуют индуцирования тороидального тока в плазме. Устройства RFP имеют те же тороидальные и полоидальные компоненты, что и токамак, но ток, протекающий через плазму, намного сильнее, и направление тороидального поля в плазме меняется на противоположное.

В токамаках и устройствах RFP ток, протекающий через плазму, также служит для ее нагрева до температуры около 10 миллионов градусов Цельсия. Кроме того, необходимы дополнительные системы нагрева для достижения температур, необходимых для плавления. В стеллараторах эти системы отопления должны обеспечивать всю необходимую энергию.

Токамак ( тороидальная камера ее магнитная катушка – тороидальная магнитная камера) был разработан в 1951 году советскими физиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом.Токамаки работают в пределах ограниченных параметров, за пределами которых могут возникать внезапные потери удержания энергии (сбои), вызывая большие тепловые и механические напряжения в конструкции и стенах. Тем не менее, эта конструкция считается наиболее перспективной, и по всему миру продолжаются исследования различных токамаков.

Также ведутся исследования по нескольким типам стеллараторов. Лайман Спитцер разработал и начал работу над первым термоядерным устройством – стелларатором – в лаборатории физики плазмы Принстона в 1951 году.Из-за сложности удержания плазмы стеллараторы перестали пользоваться популярностью до тех пор, пока методы компьютерного моделирования не позволили рассчитать точную геометрию. Поскольку стеллараторы не имеют тороидального плазменного тока, стабильность плазмы увеличивается по сравнению с токамаками. Поскольку горящую плазму легче контролировать и контролировать, стеллераторы обладают внутренним потенциалом для стационарной, непрерывной работы. Недостатком является то, что стеллараторы из-за своей более сложной формы проектировать и строить намного сложнее, чем токамаки.

RFP отличаются от токамаков главным образом пространственным распределением тороидального магнитного поля, меняющего знак на краю плазмы. Аппарат RFX в Падуе, Италия, используется для изучения физических проблем, возникающих из-за спонтанной реорганизации магнитного поля, которая является неотъемлемой особенностью этой конфигурации.

Инерционное удержание

В термоядерном синтезе с инерционным удержанием, который является новым направлением исследований, лазерные или ионные лучи очень точно фокусируются на поверхности мишени, которая представляет собой таблетку топлива D-T диаметром несколько миллиметров.Это нагревает внешний слой материала, который взрывается наружу, создавая движущийся внутрь фронт сжатия или имплозию, которая сжимает и нагревает внутренние слои материала. Ядро топлива может быть сжато в тысячу раз по сравнению с плотностью жидкости, что приведет к условиям, при которых может произойти синтез. Выделяющаяся при этом энергия будет нагревать окружающее топливо, которое также может подвергнуться плавлению, что приведет к цепной реакции (известной как воспламенение), поскольку реакция распространяется наружу через топливо. Время, необходимое для возникновения этих реакций, ограничено инерцией топлива (отсюда и название), но составляет менее микросекунды.До сих пор в большинстве работ по инерционному удержанию использовались лазеры.

Недавняя работа в Институте лазерной инженерии Университета Осаки в Японии предполагает, что воспламенение может быть достигнуто при более низкой температуре с помощью второго очень интенсивного лазерного импульса, направляемого через золотой конус высотой миллиметра в сжатое топливо и синхронизируемого с пиком сжатия. Этот метод, известный как «быстрое зажигание», означает, что сжатие топлива отделено от образования горячих точек с зажиганием, что делает процесс более практичным.

В Великобритании компания First Light Fusion, базирующаяся недалеко от Оксфорда, исследует энергию инерционного термоядерного синтеза (IFE) с упором на технологию силовых драйверов с использованием подхода асимметричной имплозии. Помимо производства электроэнергии, компания рассматривает приложения для обработки материалов и химического производства.

Национальный центр зажигания США (NIF) – это большое лазерное устройство для исследования термоядерного синтеза с инерционным удержанием в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в Калифорнии. Он фокусирует 192 мощных лазерных луча в небольшую цель за несколько миллиардных долей секунды, обеспечивая более 2 МДж ультрафиолетовой энергии и 500 ТВт пиковой мощности.

Совершенно другая концепция, «Z-пинч» (или «дзета-пинч»), использует сильный электрический ток в плазме для генерации рентгеновских лучей, которые сжимают крошечный топливный цилиндр D-T.

Магнитный синтез с намагниченной мишенью

Термоядерный синтез с намагниченной мишенью (MTF), также называемый магнито-инерционным термоядерным синтезом (MIF), представляет собой импульсный подход к термоядерному синтезу, который сочетает в себе нагрев сжатия при инерционном удержании термоядерного синтеза с магнитным уменьшением теплопереноса и магнитно-усиленным альфа-нагревом термоядерного синтеза с магнитным удержанием. .

В настоящее время проводятся эксперименты с рядом систем MTF, и в них обычно используется магнитное поле для удержания плазмы с нагревом под действием сжатия, обеспечиваемым лазерным, электромагнитным или механическим взрывом лайнера. В результате этого комбинированного подхода требуется более короткое время удержания плазмы, чем для магнитного удержания (от 100 нс до 1 мс, в зависимости от подхода MIF), что снижает потребность в стабилизации плазмы на длительные периоды. И наоборот, сжатие может быть достигнуто в течение более длительного времени, чем это характерно для инерционного удержания, что позволяет достичь сжатия с помощью механических, магнитных, химических или относительно маломощных лазерных драйверов.

В настоящее время разрабатывается несколько подходов к исследованию MTF, включая эксперименты в Национальной лаборатории Лос-Аламоса, Национальной лаборатории Сандиа, Университете Рочестера и частных компаниях General Fusion и Helion Energy.

Задачи НИОКР для MTF включают в себя вопрос о том, можно ли сформировать подходящую целевую плазму и нагреть ее до условий термоядерного синтеза, избегая при этом загрязнения лайнером, как при магнитном удержании и инерционном удержании. Из-за меньших требований к времени удержания и скорости сжатия, MTF использовалась как более дешевый и более простой подход к исследованию этих проблем, чем традиционные проекты термоядерного синтеза.

Гибридный сплав

Синтез может также сочетаться с делением в так называемом гибридном ядерном синтезе, когда бланкет, окружающий активную зону, является подкритическим реактором деления. Реакция синтеза действует как источник нейтронов для окружающего бланкета, где эти нейтроны захватываются, что приводит к реакции деления. Эти реакции деления также будут производить больше нейтронов, тем самым способствуя дальнейшим реакциям деления в бланкете.

Концепцию гибридного синтеза можно сравнить с системой, управляемой ускорителем (ADS), где ускоритель является источником нейтронов для сборки бланкета, а не реакциями ядерного синтеза (см. Страницу, посвященную ядерной энергии, управляемой ускорителем).Таким образом, бланкет гибридной термоядерной системы может содержать то же топливо, что и ADS – например, в качестве топлива можно использовать обильный элемент торий или долгоживущие тяжелые изотопы, присутствующие в отработанном ядерном топливе (из обычного реактора).

Бланкет, содержащий топливо деления в гибридной термоядерной системе, не потребует разработки новых материалов, способных выдерживать постоянную бомбардировку нейтронами, тогда как такие материалы потребуются в бланкете «традиционной» термоядерной системы.Еще одним преимуществом гибридной системы является то, что термоядерной части не потребуется производить столько нейтронов, сколько (негибридный) термоядерный реактор, чтобы генерировать больше энергии, чем потребляется, поэтому термоядерный реактор промышленного масштаба в гибридной Система не обязательно должна быть такой же большой, как термоядерный реактор.

Исследования Fusion

Давняя шутка о термоядерном синтезе указывает на то, что с 1970-х годов до коммерческого внедрения термоядерной энергии всегда оставалось около 40 лет. Хотя в этом есть доля правды, было сделано много прорывов, особенно в последние годы, и в стадии разработки находится ряд крупных проектов, которые могут довести исследования до точки, в которой термоядерная энергия может быть коммерциализирована.

Было построено несколько токамаков , включая Joint European Torus (JET) и сферический токамак Mega Amp (MAST) в Великобритании, а также термоядерный реактор для испытаний токамаков (TFTR) в Принстоне в США. Проект ИТЭР (Международный термоядерный экспериментальный реактор), который в настоящее время строится в Кадараше, Франция, станет крупнейшим токамаком, когда он заработает в 2020-х годах. Китайский испытательный реактор термоядерного синтеза (CFETR) – это токамак, который, как сообщается, больше, чем ИТЭР, и должен быть завершен в 2030 году.Тем временем он запускает свой экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST). В Великобритании Tokamak Energy ввела в эксплуатацию и продолжает развивать свой токамак ST40.

Много исследований было проведено также на стеллараторах . Большое из них, Большое спиральное устройство в Национальном институте термоядерных исследований Японии, было введено в эксплуатацию в 1998 году. Оно используется для изучения наилучшей магнитной конфигурации для удержания плазмы. На территории Гархинга Института физики плазмы им. Макса Планка в Германии исследования, проводившиеся на Wendelstein 7-AS в период с 1988 по 2002 год, продолжаются на Wendelstein 7-X, которая строилась в течение 19 лет на площадке Института Макса Планка в Грайфсвальде. и пущена в конце 2015 года.Другой стелларатор, TJII, работает в Мадриде, Испания. В США в Принстонской лаборатории физики плазмы, где в 1951 году были построены первые стеллараторы, строительство стеллератора NCSX было прекращено в 2008 году из-за перерасхода средств и отсутствия финансирования. ² .

Также были достигнуты значительные успехи в исследованиях инерционной энергии термоядерного синтеза (IFE). Строительство Национального центра зажигания (NIF) стоимостью 7 миллиардов долларов в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL), финансируемого Национальным управлением ядерной безопасности, было завершено в марте 2009 года.Лазерный мегаджоуль (LMJ) во французском регионе Бордо начал работу в октябре 2014 года. Оба они предназначены для доставки за несколько миллиардных долей секунды почти двух миллионов джоулей световой энергии к целям размером в несколько миллиметров. Основная цель как NIF, так и LMJ – это исследования в поддержку соответствующих программ ядерных вооружений обеих стран.

ИТЭР

В 1985 году Советский Союз предложил построить токамак следующего поколения совместно с Европой, Японией и США. Сотрудничество было налажено под эгидой Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ).Между 1988 и 1990 годами были разработаны первые проекты Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР, что также означает «путь» или «путешествие» на латыни) с целью доказать, что термоядерный синтез может производить полезную энергию. В 1992 году четыре стороны договорились о дальнейшем сотрудничестве в области инженерного проектирования ИТЭР. Канада и Казахстан также участвуют через Евратом и Россию соответственно.

Шесть лет спустя Совет ИТЭР одобрил первый комплексный проект термоядерного реактора, основанный на хорошо известных физике и технологиях, с ценой в 6 миллиардов долларов.Затем США решили выйти из проекта, вынудив сократить расходы на 50% и провести редизайн. Результатом стал усовершенствованный токомак ITER Fusion Energy (ITER-FEAT) – первоначально предполагалось, что он будет стоить 3 миллиарда долларов, но все же достигнет целевых показателей самоподдерживающейся реакции и чистого прироста энергии. Предполагаемого прироста энергии вряд ли будет достаточно для электростанции, но он должен продемонстрировать осуществимость.

В 2003 году США вновь присоединились к проекту, и Китай также объявил о своем присоединении. После зашедшего в тупик обсуждения в середине 2005 г. шесть партнеров согласились разместить ИТЭР в Кадараше на юге Франции.Сделка предполагала крупные уступки Японии, которая выдвинула Роккашо в качестве предпочтительного участка. Европейский союз (ЕС) и Франция внесут половину общей стоимости проекта в 12,8 млрд евро, а другие партнеры – Япония, Китай, Южная Корея, США и Россия – внесут по 10% каждый. Япония предоставит много высокотехнологичных компонентов, разместит установку для испытаний материалов стоимостью 1 миллиард евро – Международный центр по облучению термоядерных материалов (IFMIF) – и получит право разместить последующий демонстрационный термоядерный реактор.Индия стала седьмым членом консорциума ИТЭР в конце 2005 года. В ноябре 2006 года семь членов – Китай, Индия, Япония, Россия, Южная Корея, США и Европейский Союз – подписали соглашение о реализации ИТЭР. Общая стоимость ИТЭР мощностью 500 МВт составляет примерно половину за десятилетнее строительство и половину за 20 лет эксплуатации.

Работы по подготовке площадки в Кадараше начались в январе 2007 года. Первый бетон для зданий был заложен в декабре 2013 года. Эксперименты должны были начаться в 2018 году, когда будет использоваться водород, чтобы избежать активации магнитов, но теперь это ожидается в 2025 году.Первая плазма D-T ожидается не раньше 2035 года. ИТЭР велик, потому что время удержания увеличивается с размером куба машины. Вакуумный сосуд будет иметь диаметр 19 м, высоту 11 м и вес более 5000 тонн.

Целью ИТЭР является работа с тепловой мощностью плазмы 500 МВт (в течение не менее 400 секунд непрерывно) при потребляемой мощности нагрева плазмы менее 50 МВт. Электроэнергия на ИТЭР производиться не будет.

Ассоциированным предприятием CEA в Кадараше является WEST, ранее называвшееся Tore Supra, которое предназначено для тестирования компонентов прототипа и ускорения их разработки для ИТЭР.Основное внимание в нем уделяется структуре дивертора для удаления гелия, проверке долговечности используемых вольфрамовых материалов.

Ожидается, что демонстрационная электростанция мощностью 2 ГВт, известная как Demo, будет демонстрировать крупномасштабное производство электроэнергии на постоянной основе. Предполагалось, что концептуальный проект Demo будет завершен к 2017 году, строительство начнется примерно в 2024 году, а первая фаза эксплуатации начнется с 2033 года. С тех пор проект был отложен, а строительство запланировано на период после 2040 года.

JET

В 1978 году Европейское сообщество (Евратом, Швеция и Швейцария) запустило в Великобритании проект Joint European Torus (JET). JET – крупнейший токамак, действующий сегодня в мире. Аналогичный токамак, JT-60, работает в Naka Fusion Institute Японского агентства по атомной энергии в Японии, но только JET имеет возможности использовать топливо D-T.

После судебного спора с Евратомом в декабре 1999 года международный контракт JET закончился, и Управление по атомной энергии Соединенного Королевства (UKAEA) взяло на себя управление JET от имени своих европейских партнеров.С этого времени экспериментальная программа JET координируется сторонами Европейского соглашения о развитии термоядерного синтеза (EFDA). ^c JET эксплуатируется Центром исследований термоядерного синтеза в Калхэме UKAEA, членом консорциума EUROfusion.

JET произвел свою первую плазму в 1983 году и стал первым экспериментом по производству контролируемой термоядерной энергии в ноябре 1991 года, хотя и с большим потреблением электроэнергии. С помощью этого устройства в плазме D-T было достигнуто до 16 МВт мощности термоядерного синтеза в течение одной секунды и поддерживаемая мощность 5 МВт, от 24 МВт мощности, вводимой в его систему нагрева, и проводится множество экспериментов для изучения различных схем нагрева и других методов.Компания JET очень успешно применила методы удаленного обращения в радиоактивной среде для модификации внутренней части устройства и показала, что дистанционное обслуживание термоядерных устройств является реалистичным.

JET – ключевое устройство в подготовке к ИТЭР. В последние годы он был значительно модернизирован для тестирования физических и технических систем плазмы ИТЭР. В JET планируются дальнейшие усовершенствования с целью превышения рекордной мощности термоядерного синтеза в будущих экспериментах D-T. Компактное устройство – сферический токамак Mega Amp (MAST) – было разработано вместе с JET в Калхэме, частично для обслуживания проекта ИТЭР, и в настоящее время осуществляется поэтапно масштабный проект модернизации MAST, чтобы увеличить мощность нейтрального луча с 5 до 12.5 МВт и энергия, вкладываемая в плазму от 2,5 до 30 МДж. MAST Upgrade направлен на разработку системы выпуска плазмы или дивертора, способной выдерживать интенсивные силовые нагрузки, создаваемые термоядерными реакторами промышленного размера. Он получил первую плазму в октябре 2020 года.

В 2019 году правительство Великобритании выделило 22 миллиона фунтов стерлингов в течение четырех лет на концептуальный дизайн сферического токамака для производства энергии (STEP) в Калхэме. Технические цели STEP: обеспечить прогнозируемую чистую электрическую мощность более 100 МВт; использовать термоядерную энергию помимо производства электроэнергии; обеспечить самообеспеченность тритием; квалифицировать материалы и компоненты в соответствующих условиях термоядерного синтеза нейтронного потока; и разработать реальный путь к доступным затратам в течение всего жизненного цикла.СТЭП планируется завершить в 2040 году.

Токамак Энергия

Tokamak Energy в Великобритании – частная компания, разрабатывающая сферический токамак, и надеется коммерциализировать его к 2030 году. Компания выросла из лаборатории Калхэма, где находится JET, и ее технология основана на высокотемпературных сверхпроводящих магнитах, которые позволяют для относительно маломощных и малогабаритных устройств, но с высокой производительностью и потенциально широко распространенным коммерческим развертыванием. Его первый токамак с исключительно ВТСП магнитами – ST25 HTS, второй реактор Tokamak Energy – продемонстрировал непрерывную плазму в течение 29 часов во время летней научной выставки Королевского общества в Лондоне в 2015 году, что стало мировым рекордом.

Следующим реактором является ST40 в Милтон-парке в Оксфордшире, на котором в апреле 2017 года была получена первая плазма. После ввода в эксплуатацию дополнительных магнитных катушек температура плазмы составила 15 миллионов градусов Цельсия в 2018 и 2019 годах. Главный исполнительный директор Tokamak Energy Дэвид Кингхэм сказал: «ST40 разработан для достижения температуры 100 миллионов градусов Цельсия и десятикратного снижения энергетической безубыточности». Компания работает с Принстонской лабораторией физики плазмы над сферическими токамаками и с Центром науки о плазме и термоядерном синтезе Массачусетского технологического института над ВТСП магнитами.В июле 2020 года министерство бизнеса, энергетики и промышленной стратегии Великобритании (BEIS) выделило ему 10 миллионов фунтов стерлингов в рамках правительственного проекта усовершенствованного модульного реактора. Эти средства пойдут на основные разработки в области высокотемпературных сверхпроводящих магнитов (ВТСП) и технологий системы вытяжки плазмы (дивертора). Дивертор должен выдерживать высокие уровни тепла и бомбардировки частицами при удалении примесей и отходов из системы. Он нацелен на создание прототипа для подачи электроэнергии в сеть к 2030 году.

KSTAR

KSTAR (корейский сверхпроводящий токамак-реактор) в Национальном исследовательском институте термоядерного синтеза (NFRI) в Тэджоне произвел свою первую плазму в середине 2008 года. Это пилотная установка для ИТЭР, которая предполагает активное международное сотрудничество. Он будет спутником ИТЭР на этапе эксплуатации ИТЭР с начала 2020-х годов. Токамак с большим радиусом 1,8 метра является первым, в котором используются сверхпроводящие магниты из Nb3Sn, тот же материал, который будет использоваться в проекте ИТЭР. Первым этапом его развития до 2012 года было подтверждение базовых технологий эксплуатации и получение импульсов плазмы длительностью до 20 секунд.На втором этапе разработки (2013–2017 годы) KSTAR был модернизирован для изучения длинных импульсов продолжительностью до 300 секунд в режиме H (цель 100 секунд была в 2015 году) и перехода в высокопроизводительный режим AT. В конце 2016 года он достиг 70 секунд в режиме высокопроизводительной плазменной резки, что является мировым рекордом. Кроме того, исследователям KSTAR также удалось создать альтернативный усовершенствованный режим работы плазмы с внутренним транспортным барьером (ITB). Это резкий градиент давления в ядре плазмы из-за усиленного удержания плазмы в ядре.В NFRI заявили, что это первая операция ITB, выполненная в сверхпроводящем устройстве при минимальной мощности нагрева. KSTAR Phase 3 (2018-2023) направлен на разработку высокопроизводительных, высокоэффективных технологий режима AT с длительными импульсами. На этапе 4 (2023–2025 гг.) Будут протестированы известные технологии, связанные с ДЕМО. Устройство не может работать с тритием, поэтому не будет использовать топливо D-T.

Токамак K-DEMO

В сотрудничестве с Принстонской лабораторией физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США в Нью-Джерси и Южнокорейским Национальным исследовательским институтом термоядерного синтеза (NFRI) K-DEMO призван стать следующим шагом на пути к коммерческим реакторам ИТЭР и станет первым завод, который фактически вносит электроэнергию в электрическую сеть.Согласно PPPL, он будет генерировать «около 1 миллиарда ватт энергии в течение нескольких недель подряд», что намного больше, чем цель ИТЭР по выработке 500 миллионов ватт в течение 500 секунд к концу 2020-х годов. Ожидается, что K-DEMO будет иметь токамак большого радиуса диаметром 6,65 м и модуль тестового бланкета в рамках НИОКР по разведению DEMO. Министерство образования, науки и технологий планирует инвестировать в проект около 1 триллиона вон (941 миллион долларов США). Около 300 миллиардов вон из этих расходов уже профинансированы.Правительство ожидает, что на первом этапе проекта будет задействовано около 2400 человек, который продлится в течение 2016 года. Ожидается, что у K-DEMO будет начальный этап эксплуатации примерно с 2037 по 2050 год для разработки компонентов для второго этапа, который будет производить электроэнергию.

ВОСТОК

В Китае экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST) Института физических наук Хэфэй Китайской академии наук произвел водородную плазму при температуре 50 миллионов градусов Цельсия и удерживал ее в течение 102 секунд в 2017 году.В ноябре 2018 года она достигла отметки 100 миллионов градусов Цельсия за 10 секунд, потребляя 10 МВт электроэнергии. В июле 2020 года EAST достигла полностью неиндуктивной, управляемой током, установившейся плазмы в течение более 100 секунд, что было заявлено как прорыв со значительными последствиями для будущего Китайского испытательного реактора Fusion Engineering (CFETR). В мае 2021 года он установил новый мировой рекорд по достижению температуры плазмы 120 миллионов градусов Цельсия за 101 секунду. Эксперимент также показал температуру плазмы 160 миллионов градусов по Цельсию, продолжительностью 20 секунд.

TFTR

В США с 1982 по 1997 год в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) работал реактор Tokamak Fusion Test Reactor. DT. В следующем году TFTR произвел 10,7 МВт управляемой термоядерной мощности – рекорд по тем временам. TFTR установил и другие рекорды, в том числе достижение температуры плазмы 510 миллионов градусов по Цельсию в 1995 году.Однако он не достиг своей цели по безубыточной энергии термоядерного синтеза (где потребляемая энергия не превышает количество произведенной энергии термоядерного синтеза), но достиг всех своих целей проектирования аппаратного обеспечения, тем самым внося существенный вклад в развитие ИТЭР. .

АЛКАТОР

В Массачусетском технологическом институте (MIT) с 1970-х годов серия небольших торовых реакторов с сильным магнитным полем ALCATOR (Alto Campus Torus) работает по принципу достижения высокого давления плазмы как пути к длительному удержанию плазмы.Утверждается, что Alcator C-Mod обладает самым высоким магнитным полем и самым высоким давлением плазмы среди всех термоядерных реакторов и является крупнейшим университетским термоядерным реактором в мире. Работал с 1993 по 2016 год. В сентябре 2016 года он достиг давления плазмы 2,05 атмосферы при температуре 35 миллионов градусов по Цельсию. Плазма производила 300 триллионов термоядерных реакций в секунду и имела центральную напряженность магнитного поля 5,7 тесла. Он пропускал 1,4 миллиона ампер электрического тока и обогревался мощностью более 4 МВт.Реакция протекала в объеме примерно 1 кубический метр, а плазма длилась две секунды. После достижения рекордных показателей для термоядерного реактора государственное финансирование прекратилось.

Увеличенный вариант, который планируется построить в подмосковном Триоцке в сотрудничестве с Курчатовским институтом, – «Игнитор» с тором диаметром 1,3 м.

Большое спиральное устройство – стелларатор

Большое спиральное устройство (LHD) Японского национального института термоядерных исследований в Токи, префектура Гифу, было крупнейшим в мире стелларатором.LHD произвел свою первую плазму в 1998 году и продемонстрировал свойства удержания плазмы, сравнимые с другими крупными термоядерными устройствами. Он достиг ионной температуры 13,5 кэВ (около 160 миллионов градусов) и накопленной энергии плазмы 1,44 миллиона джоулей (МДж).

Стелларатор Wendelstein 7-X

После года испытаний это началось в конце 2015 года, и гелиевая плазма ненадолго достигла отметки около одного миллиона градусов по Цельсию. В 2016 году он перешел на использование водорода и, используя 2 МВт, достиг температуры плазмы 80 миллионов градусов по Цельсию за четверть секунды.W7-X является крупнейшим в мире стелларатором, и планируется, что он будет работать непрерывно до 30 минут. Это стоило 1 миллиард евро (1,1 миллиарда долларов).
Несколько хороших диаграмм есть в статье Business Insider Australia о Wendelstein 7-X.

Стелларатор Гелиак-1

В Австралийском исследовательском центре плазменного синтеза при Австралийском национальном университете стелларатор H-1 проработал несколько лет, а в 2014 году был значительно модернизирован. H-1 имеет доступ к широкому спектру конфигураций плазмы и позволяет исследовать идеи для улучшения магнитной конструкции термоядерных электростанций, которые последуют за ИТЭР.

National Ignition Facility – лазер

Самая мощная в мире установка для лазерного синтеза, Национальная установка зажигания (NIF) стоимостью 4 миллиарда долларов в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL), была завершена в марте 2009 года. Используя свои 192 лазерных луча, NIF может производить более чем в 60 раз больше энергии. любой предыдущей лазерной системы к своей цели ^e . В июле 2012 года LLNL объявила, что в «историческом рекордном лазерном выстреле лазерная система NIF из 192 лучей обеспечила более 500 ТВт пиковой мощности и 1 луч.85 мегаджоулей (МДж) ультрафиолетового лазерного излучения на цель (диаметром 2 мм) «за несколько триллионных долей секунды. В сентябре 2013 года впервые количество энергии, высвобождаемой в результате реакции синтеза (14 кДж), превысило количество энергии поглощается топливом, но не количеством, поставляемым гигантскими лазерами (1,8 МДж). В августе 2021 года LLNL заявила, что достигла мощности 1,3 МДж, что намного лучше, чем ее предыдущий рекорд в 55 кДж в 2018 году. был «историческим шагом вперед для инерционного удержания», поставив его на порог термоядерного воспламенения.«

Более ранний мощный лазер в LLNL, Nova, был построен в 1984 году с целью обеспечения зажигания. Nova не смогла этого сделать и была закрыта в 1999 году, но предоставила важные данные, которые привели к созданию NIF. Nova также собрала значительные объемы данных по физике материи высокой плотности, которые полезны как для исследований в области термоядерной энергии, так и для исследования ядерного оружия.

В связи с NIF, LLNL разрабатывает лазерный инерционный термоядерный двигатель (LIFE), гибридную термоядерную систему, в которой нейтроны, возникающие в результате лазерного термоядерного синтеза, будут приводить в движение субкритический бланкет ядерного деления для выработки электроэнергии.Бланкет будет содержать либо обедненный уран; отработанное ядерное топливо; природный уран или торий; или плутоний-239, второстепенные актиниды и продукты деления из переработанного отработанного ядерного топлива ⁴ .

Лазер Mégajoule

Тем временем Французская комиссия по атомной энергии (Commissariat à l’énergie atomique, CEA) с 2014 года эксплуатирует лазер аналогичного размера – Laser Mégajoule (LMJ) – недалеко от Бордо. несколько миллиардных долей секунды, сконцентрированные на небольшой мишени из дейтерия и трития.Опытный образец лазера, Ligne d’Integration Laser (LIL), был введен в эксплуатацию в 2003 году.

SG-II

Китайская национальная лаборатория мощных лазеров и физики, связанная с Китайской академией наук, проводит эксперимент по инерционному удержанию лазера в Шанхае – восьмилучевую лазерную установку Shenguang-II (SG-II), аналогичную Национальной установке зажигания. в США и Laser Mégajoule во Франции. Это единственная в Китае мощная лазерная установка на неодимовом стекле с активным зондирующим светом.В 2005 году был добавлен девятый луч, что расширило возможности для исследований в области термоядерного синтеза. Объект SG-II является международной демонстрационной базой Китая в области мощных лазерных технологий.

Лазеры PETAL и HiPER

Лазерная установка Petawatt Aquitaine Laser (PETAL) – это высокоэнергетический многопетаваттный лазер (энергия 3,5 кДж с продолжительностью от 0,5 до 5 пс), строящийся недалеко от Бордо, на том же месте, что и LIL. PETAL будет совместно с LIL, чтобы продемонстрировать физику и лазерную технологию быстрого зажигания.Первые эксперименты ожидаются в 2012 году.

Центр исследования энергии лазеров высокой мощности (HiPER) разрабатывается с целью развития исследований, запланированных в рамках проекта PETAL. HiPER будет использовать лазер с длинными импульсами (в настоящее время оценивается в 200 кДж) в сочетании с лазером с короткими импульсами 70 кДж. Трехлетний подготовительный этап, начавшийся в 2008 году, предусматривает прямое финансирование или обязательства в натуральной форме на сумму около 70 миллионов евро от нескольких стран. Планируется, что этап детального проектирования начнется в 2011 году, а шестилетний этап строительства, возможно, начнется к 2014 году.

Z машина

Аппарат Z, которым управляет Sandia National Laboratories, является крупнейшим рентгеновским генератором в мире. Как и NIF, объект был построен в рамках национальной программы управления запасами, которая направлена ​​на поддержание запасов ядерного оружия без необходимости проведения полномасштабных испытаний.

Условия для плавления достигаются путем прохождения мощного электрического импульса ^f (продолжительностью менее 100 наносекунд) через набор тонких вольфрамовых проволок внутри металлического хохльраума ^г .Проволока превращается в плазму и испытывает сжатие («Z-пинч»), заставляя испарившиеся частицы сталкиваться друг с другом, создавая интенсивное рентгеновское излучение. Крошечный цилиндр, содержащий термоядерное топливо, помещенный внутри хольраума, поэтому будет сжат рентгеновскими лучами, что позволит осуществить термоядерный синтез.

В 2006 году машина Z достигла температуры более 2 миллиардов градусов, ⁶ значительно выше, чем требуется для термоядерного синтеза, и теоретически достаточно высокой, чтобы обеспечить ядерный синтез водорода с более тяжелыми элементами, такими как литий или бор.

Другие термоядерные проекты

Многие другие проекты термоядерного синтеза находятся на различных стадиях разработки.

Локхид CFR . Lockheed Martin на своих так называемых «скунсовых заводах» разрабатывает компактный термоядерный реактор (CFR), который использует обычную плазму D-T в вакуумированной защитной оболочке, но ограничивает ее по-другому. Вместо ограничения плазмы внутри трубчатых колец серия сверхпроводящих катушек будет генерировать новую геометрию магнитного поля, в которой плазма удерживается в более широких пределах всей реакционной камеры.Энергия поступает за счет радиочастотного нагрева. Сверхпроводящие магниты внутри катушек будут создавать магнитное поле вокруг внешней границы камеры. Цель состоит в том, чтобы давление плазмы было таким же большим, как и давление удержания при достаточно высокой температуре для воспламенения и получения полезной энергии. Теплообменники в стенке реактора будут передавать энергию газовой турбине. Он перешел к эксперименту по магнитному удержанию ионов, но ему предстоит пройти некоторый путь до любого прототипа, который, как они утверждают, будет намного меньше, чем традиционные конструкции, такие как токамак ИТЭР.

Национальное агентство Италии по новым технологиям, энергетике и устойчивому экономическому развитию (ENEA) разрабатывает небольшой реактор-токамак под названием Ignitor . В соответствии с итальянско-российским соглашением, подписанным в мае 2010 года, реактор будет собран в Италии и установлен в Троицком институте инноваций и термоядерных исследований (ТРИНИТИ) под Москвой при Курчатовском институте ⁷ .

Альтернативой использованию мощных лазеров для термоядерного синтеза с инерционным удержанием является « синтез тяжелых ионов », в котором высокоэнергетические частицы из ускорителя фокусируются с помощью магнитных полей на термоядерную мишень.Ускоритель NDCX-II (Neutralized Drift Compression Experiment II) используется для экспериментов по синтезу тяжелых ионов с 2012 года в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. Его расширяют для доставки коротких интенсивных импульсов ионных пучков с кинетической энергией 1,2 МэВ. Эксперименты по физике высоких плотностей энергии (HEDP) с лабораторной плазмой – растущая часть физики инерционной термоядерной энергии (IFE).

LPP Fusion (Lawrenceville Plasma Physics) – американское предприятие, разрабатывающее анейтронный синтез с использованием устройства фокусировки плотной плазмы (DPF или focus fusion ) и водородно-борного топлива.Водород и бор (B-11) в виде плазмы сливаются при высокой температуре, образуя импульсный пучок ядер гелия без испускания нейтронов. (Бор и водород объединяются, образуя кратковременный промежуточный атом углерода-12, который быстро распадается на три альфа-частицы.) Этот заряженный пучок ионов высокой энергии генерирует электричество, проходя через ряд катушек, похожих на трансформатор, с эффективностью 80%. . Баланс энергии – это побочные рентгеновские лучи, которые улавливаются множеством фотоэлектрических рецепторов.LPP Fusion достиг энергии электронов 400 кэВ.

Другое направление исследований термоядерного синтеза с использованием лазеров также включает синтез водорода и бора-11 для образования ядер гелия, которые продолжают цепную реакцию бора. Один лазер генерирует мощное магнитное ограничивающее поле в катушке, чтобы задержать реакцию синтеза на небольшой площади в течение наносекунды, в то время как второй, более мощный лазер, запускает процесс ядерного синтеза. Первые испытания термоядерного синтеза H- ¹¹ B в пражской лазерной системе Asterix с использованием высокоэнергетических йодных лазеров генерировали больше энергии, чем необходимо для запуска процесса термоядерного синтеза.

HB11 Energy в Австралии разрабатывает это и стремится использовать нетепловую лазерную технологию для сплавления водорода и бора-11. Наносекундный лазерный импульс запускает реакцию синтеза H-B, затем второй лазер и емкостная катушка создают магнитное поле в килотесла, чтобы увеличить выход реакции. Этот шаг сейчас находится в центре внимания исследований. Выход дополнительно увеличивается за счет цепной реакции для создания ядер гелия, которые захватываются заряженной сферой диаметром не менее двух метров для непосредственного производства электричества, без какого-либо парового контура.Альфа-частицы с энергией 2,9 МэВ представляют до 300 кВтч энергии на 15 мг топлива H- ¹¹ B. Новый проект заключается в разработке топливных материалов путем синтеза боридов водорода, обогащенных бором-11, и нанолистов из нитрида бора, адсорбированных водородом. Они будут испытаны на лазерных установках за границей.

Устройство Polywell («многогранник» в сочетании с «потенциальной ямой») состоит из магнитных катушек, расположенных в многогранной конфигурации с шести сторон, образующих куб. Облако электронов ограничено в середине устройства, чтобы иметь возможность ускорять и удерживать положительные ионы, подлежащие слиянию.Эта концепция электростатического удержания отличается от традиционного магнитного удержания, поскольку поля не должны удерживать ионы – только электроны. EMC2 Fusion Development Corporation изучает концепцию Polywell и рассматривает водород и бор в качестве топлива для анейтронного синтеза. Это последовало за несколькими годами разработки ВМС США с использованием дейтериевого топлива.

General Fusion – одна из нескольких частных попыток разработать коммерческую термоядерную электростанцию. Подход компании для синтеза намагниченной мишени (MTF) генерирует компактную тороидную плазму в инжекторе, содержащую и сжимающую ее с помощью магнитного поля перед инжекцией в камеру сферического сжатия.В камере находится жидкий свинцово-литиевый лайнер, который накачивается для создания вихря, в который впрыскивается плазменная мишень. Синхронизированная группа поршней, срабатывающих одновременно, создает сферическую волну сжатия в жидком металле, сжимая плазменную мишень и нагревая ее до состояния термоядерного синтеза. Основанная в Канаде в 2002 году, General Fusion финансируется синдикатом частных инвесторов, компаний венчурного капитала в области энергетики, государственных инвестиционных фондов и канадского государственного фонда Sustainable Development Technology Canada (SDTC).О дополнительном государственном гранте было объявлено в октябре 2018 года из Стратегического инновационного фонда. Компания продемонстрировала вехи, включая создание намагниченной плазмы сферомака на 200–300 эВ и удержание их на срок более 500 мкс.

Большая часть текущей работы над МОГ основана на программах Курчатовского института атомной энергии под руководством Е.П. Велихова, примерно в 1970 году. Это вдохновило проект LINUS в Военно-морской исследовательской лаборатории в США, а затем проект быстрого лайнера в США. Лос-Аламос.

General Atomics эксплуатирует токамак DIII-D в Сан-Диего для Министерства энергетики США с конца 1980-х годов. Он направлен на создание научной основы для оптимизации подхода токамаков к производству термоядерной энергии.

Холодный синтез

В марте 1989 года были сделаны впечатляющие заявления о другом подходе, когда два исследователя из США (Стэнли Понс) и Великобритании (Мартин Флейшманн) заявили, что достигли синтеза в простом настольном аппарате, работающем при комнатной температуре.«N-Fusion», или «холодный синтез», включает электролиз тяжелой воды с использованием палладиевых электродов, на которых ядра дейтерия, как говорят, концентрируются с очень высокой плотностью. Исследователи утверждали, что выделяется тепло, которое можно объяснить только ядерными процессами, а также побочные продукты синтеза, включая гелий, тритий и нейтроны. Однако другим экспериментаторам не удалось воспроизвести это, и большая часть научного сообщества больше не считает это реальным явлением.

Ядерные реакции низких энергий (LENR)

Инициированные заявлением о «холодном синтезе», исследования на уровне нанотехнологий продолжаются по низкоэнергетическим ядерным реакциям (LENR), которые, по-видимому, используют слабые ядерные взаимодействия (а не сильные взаимодействия, как в ядерном делении или синтезе) для создания низкоэнергетических нейтронов. с последующими процессами захвата нейтронов, приводящими к изотопному изменению или трансмутации, без испускания сильного мгновенного излучения.Эксперименты LENR включают проникновение водорода или дейтерия через каталитический слой и реакцию с металлом. Исследователи сообщают, что выделяемая энергия, хотя и на любой воспроизводимой основе, очень немногим больше, чем вводится. Основным практическим примером является порошок водорода и никеля, который, очевидно, дает больше тепла, чем можно объяснить с помощью каких-либо химических оснований.

Правительство Японии спонсирует исследования LENR – в частности, проект водородной энергетики из нанометаллов (MHE) – через свою Организацию по развитию новой энергии и промышленных технологий (NEDO), и Mitsubishi также принимает активное участие в исследованиях.В течение 2015–2019 годов Google профинансировал 30 исследователей в трех проектах и ​​не нашел доказательств того, что LENR возможен, но они добились определенных успехов в методах измерения и материаловедения. Были некоторые признаки того, что два проекта, связанных с палладием, заслуживают дальнейшего изучения.

Оценка мощности термоядерного синтеза

Использование термоядерных электростанций могло бы существенно снизить воздействие на окружающую среду растущего мирового спроса на электроэнергию, поскольку, как и ядерная энергия деления, они не будут способствовать кислотным дождям или парниковому эффекту.Термоядерная энергия может легко удовлетворить потребности в энергии, связанные с продолжающимся экономическим ростом, с учетом доступности топлива. Не существует опасности реакции неконтролируемого термоядерного синтеза, поскольку это невозможно по сути, и любая неисправность приведет к быстрому останову установки.

Однако, хотя термоядерный синтез не приводит к образованию долгоживущих радиоактивных продуктов, а несгоревшие газы можно обрабатывать на месте, возникнет краткосрочная и среднесрочная проблема с радиоактивными отходами из-за активации конструкционных материалов.Некоторые материалы компонентов станут радиоактивными в течение срока службы реактора из-за бомбардировки нейтронами высокой энергии и в конечном итоге станут радиоактивными отходами. Объем таких отходов был бы аналогичен соответствующему объему от реакторов деления. Однако долговременная радиотоксичность отходов термоядерного синтеза будет значительно ниже, чем токсичность актинидов в отработанном топливе ядерного деления, и с отходами продуктов активации следует обращаться во многом так же, как и с отходами реакторов деления, проработавших несколько лет. ⁸ .

Есть и другие опасения, в основном связанные с возможным выбросом трития в окружающую среду. Он радиоактивен, и его очень трудно удержать, поскольку он может проникать в бетон, резину и некоторые марки стали. Как изотоп водорода, он легко включается в воду, что делает воду слаборадиоактивной. Имея период полураспада около 12,3 года, присутствие трития остается угрозой для здоровья в течение примерно 125 лет после его образования в виде газа или воды, если оно присутствует в больших количествах.Его можно вдыхать, всасывать через кожу или проглатывать. Вдыхаемый тритий распространяется по мягким тканям, и содержащая тритий вода быстро смешивается со всей водой в организме. Несмотря на то, что в термоядерном реакторе имеется лишь небольшой запас трития – несколько граммов, каждый из них, вероятно, может высвободить значительные количества трития во время работы из-за обычных утечек, если предположить, что это лучшие системы удержания. Авария может выпустить еще больше. Это одна из причин, по которой в долгосрочной перспективе возлагаются большие надежды на процесс синтеза дейтерия и дейтерия без использования трития.

Хотя очевидно, что термоядерная энергия может многое предложить, когда технология в конечном итоге будет разработана, проблемы, связанные с ней, также необходимо решить, чтобы она стала широко используемым источником энергии в будущем.

Заметки и ссылки

Банкноты

а. Ядро дейтерия (D) состоит из одного протона и одного нейтрона, тогда как у водорода только один протон. Тритий (Т) имеет один протон и два нейтрона. Когда ядра D и T сливаются, образуется гелий-4 (два протона и два нейтрона) вместе со свободным нейтроном.17,6 МэВ энергии, выделяющейся в реакции синтеза, принимает форму кинетической энергии, гелий имеет 3,5 МэВ, а нейтрон – 14,1 МэВ. Продукты реакции плавления имеют общую массу, которая немного ниже, чем у исходных материалов (D и T), это уменьшение массы было преобразовано в энергию согласно E = mc ² . [Назад]

г. Тритий можно получить путем бомбардировки лития-6 нейтронами любой энергии. Когда литий-6 (три протона, три нейтрона) поглощает нейтрон, он распадается на гелий (два протона, два нейтрона) и тритий (один протон, два нейтрона) вместе с выделением 4.8 МэВ энергии. Тритий можно также производить из более распространенного лития-7 из нейтронов высоких энергий. Следовательно, природный литий можно использовать для производства трития в термоядерном реакторе. По данным Европейской комиссии ¹ : «Для термоядерной установки мощностью 1 ГВт потребуется около 100 кг дейтерия и 3 тонны природного лития, чтобы работать в течение всего года, производя около 7 миллиардов кВтч». [Назад]

г. Европейское соглашение о развитии термоядерного синтеза (EFDA) было создано, чтобы обеспечить основу для исследований термоядерного синтеза с магнитным удержанием в Европейском Союзе и Швейцарии.[Назад]

г. У Принстонской лаборатории физики плазмы есть веб-страница на TFTR [Назад]

e. Первые эксперименты по синтезу с инерционным удержанием в NIF (см. Https://lasers.llnl.gov/science/icf) будут использовать метод «непрямого привода», который отличается от метода «прямого привода», описанного в основном тексте. В методе непрямого возбуждения лазеры фокусируются на золотой полости (известной как hohlraum ), содержащей топливную таблетку. Лазеры быстро нагревают внутреннюю поверхность хольраума, генерируя рентгеновские лучи, которые вызывают сдувание поверхности капсулы, в свою очередь, заставляя капсулу с горючим взорваться так же, как если бы в нее попали прямые лазеры.Есть надежда, что NIF станет первым лазером, в котором энергия, выделяемая из термоядерного топлива, превысит энергию лазера, используемую для реакции термоядерного синтеза. [Назад]

ф. Аппарат Z был разработан для подачи импульсов рентгеновского излучения мощностью 50 тераватт, но усовершенствования позволили получить импульсы мощностью 290 тераватт. После капитального ремонта в 2007 году электрический импульс Z-машины был увеличен с 18 миллионов ампер до 26 миллионов ампер, передаваемых за несколько наносекунд. [Назад]

г. hohlraum – это металлическая полость, используемая в методах «непрямого возбуждения» для термоядерного синтеза с инерционным ограничением – см. Примечание е выше.[Назад]

Список литературы

1. Fusion Research: An Energy Option for Europe’s Future, Генеральный директорат по исследованиям, Европейская комиссия, 2007 г. (ISBN: 927

Общие источники

Сайт ИТЭР (www.iter.org)
Сайт JET
Culham Center for Fusion Energy (ранее UKAEA Culham) веб-сайт (www.ccfe.ac.uk)
Веб-сайт Национального центра зажигания (https://lasers.llnl.gov)
Сайт HiPER (www.hiper-laser.org)
Информационный веб-сайт European Fusion Network (https: // www.fusenet.eu/)
Веб-сайт программы Fusion Energy Sciences (FES) Управления науки Министерства энергетики США (https://science.energy.gov/fes/)
Веб-сайт исследования больших спиральных устройств
Деятельность HiPER, Nuclear Engineering International (ноябрь 2008 г.)
Быстрый путь к термоядерной энергии , Майкл Х. Ки, Nature 412, 775-776 (23 августа 2001 г.)
Статья Lockheed CFR, Aviation Week (октябрь 2014)
Магнито-инерционный синтез, GA Wurden и др. , Journal of Fusion Energy, Volume 35, Issue 1, 69-77 (февраль 2016)
Почему термоядерный синтез с намагниченной мишенью предлагает недорогой путь развития термоядерной энергии, Ричард Э.Симон, Ирвин Р. Линдемут и Курт Ф. Шенберг, Национальная лаборатория Лос-Аламоса (представлено в Комментарии по физике плазмы и управляемому синтезу , 12 ноября 1997 г.)
Реактор синтеза с магнитной мишенью с акустическим приводом, Мишель Лаберж, General Fusion Inc., Journal of Fusion Energy, Volume 27, 65-68 (июнь 2008)
Стабилизированные взрывы жидких лайнеров для повторяющегося сжатия плазменных мишеней, Питер Дж. Турчи, представленный на семинаре ARPA-E по драйверам низкозатратных разработок на пути к экономичному термоядерному синтезу ( 29-30 октября 2013 г.)
Производство электроэнергии с помощью LENR, Стивен Кривит (февраль 2017 г.)
Новый источник энергии с использованием низкоэнергетического синтеза водорода, Эдмунд Стормз, Наука об окружающей среде: Индийский журнал, том 13, выпуск 2 (март 2017 г.) )

5 великих идей для превращения термоядерной энергии в реальность

Шутка существовала почти столько же, сколько и мечта: До получения энергии ядерного синтеза осталось 30 лет…и всегда будет. Но теперь, более чем через 80 лет после того, как австралийский физик Марк Олифант впервые обнаружил слияние атомов дейтерия и высвобождение капель энергии, возможно, наконец, пришло время обновить главную мысль.

За последние несколько лет более двух десятков исследовательских групп – впечатляюще укомплектованные и хорошо финансируемые стартапы, университетские программы и корпоративные проекты – достигли потрясающих успехов в области управляемого ядерного синтеза. Они строят термоядерные реакторы, основанные на совершенно разных конструкциях, которые бросают вызов двум основным подходам, которые используют либо огромный магнитный сосуд в форме пончика, называемый токамаком, либо чрезвычайно мощные лазеры.

Более того, некоторые из этих групп прогнозируют важные этапы синтеза в ближайшие пять лет, включая достижение точки безубыточности, при которой произведенная энергия превосходит энергию, используемую для зажигания реакции. Это шокирующе скоро, учитывая, что основные проекты, основанные на традиционных токамаках и подходах на основе лазеров, работали десятилетиями и потратили миллиарды долларов, не достигнув безубыточности.

В Кембридже, штат Массачусетс, исследователи Commonwealth Fusion Systems из Массачусетского технологического института заявляют, что их последняя конструкция реактора выйдет на уровень безубыточности к 2025 году.В Соединенном Королевстве дочернее предприятие Оксфордского университета под названием First Light Fusion заявляет, что выйдет на уровень безубыточности в 2024 году. А в Южной Калифорнии стартап TAE Technologies опубликовал захватывающе амбициозные пятилетние сроки для коммерциализации своего термоядерного реактора.

Иррациональное изобилие? Может быть. Исследования в области термоядерного синтеза – одно из самых дорогостоящих начинаний, поскольку оно зависит от большого притока наличных денег только для оплаты счетов лаборатории за электроэнергию. В погоне за финансированием велик соблазн переоценить будущие достижения.И прошлые надежды на надвигающийся прорыв не раз оправдались. Что изменилось сейчас, так это то, что достижения в области высокоскоростных вычислений, материаловедения, моделирования и симуляции помогают преодолеть некогда непокорные технические препятствия, и в эту область вкладываются значительные суммы денег.

Некоторые из новых термоядерных проектов заставляют работать суперкомпьютеры новейшего поколения, чтобы лучше понять и настроить поведение сверхвысокотемпературной плазмы, в которой ядра водорода сливаются с образованием гелия.Другие возобновили многообещающие исследования, которые откладывались десятилетия назад. Третьи используют новые сверхпроводники или гибридизируют основные концепции.

Несмотря на их мощные инструменты и творческий подход, многие из этих новых предприятий потерпят неудачу. Но если хотя бы одному удастся построить реактор, способный производить электроэнергию экономически, это может коренным образом изменить ход человеческой цивилизации. В реакции термоядерного синтеза один грамм изотопов водорода, которые наиболее часто используются, теоретически может дать ту же энергию, что и 11 метрических тонн угля, с гелием в качестве единственного постоянного побочного продукта.

По мере того, как изменение климата ускоряется и спрос на электроэнергию стремительно растет, ядерный синтез обещает безуглеродный, малоотходный базовый источник энергии, относительно чистый и не связанный с риском расплавления или использования оружия. Эта дразнящая возможность поддерживала мечту о слиянии на протяжении десятилетий. Сможет ли один из этих разрозненных стартапов, наконец, превратить синтез в реальность?

Не так давно перспективы термоядерной энергетики были довольно мрачными: , когда два крупнейших проекта, казалось, застопорились.В 2016 году Министерство энергетики США признало, что его Национальная система зажигания (NIF) стоимостью 3,5 миллиарда долларов США не смогла достичь своей цели по использованию лазеров для «зажигания» самоподдерживающейся термоядерной реакции. В отчете Министерства энергетики говорится [PDF], что исследование NIF должны перейти от исследования воспламенения от лазерной искры к определению того, возможно ли такое возгорание.

В том же году США и несколько других правительств начали обсуждать, стоит ли им поддерживать Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР).ITER, впервые предложенный в 1985 году и сейчас строящийся на юге Франции, является крупнейшим в мире термоядерным экспериментом. Это тип токамака, который использует магнитные силы для удержания и изоляции яростно горячей, энергичной плазмы, необходимой для инициирования и поддержания термоядерного синтеза. Но проект страдает от задержек и перерасхода средств, что в пять раз превысило его первоначальную цену в 5 миллиардов долларов и отодвинуло его предполагаемую дату завершения до 2035 года. конструкции находятся в эксплуатации.Неудачи и огромные расходы НИФ и ИТЭР привели к потере не только денег, но и энтузиазма.

Даже после провала поддерживаемых государством мегапроектов, исследования альтернативной термоядерной энергии начали набирать обороты. Надежды тех, кто преследует эти новые усилия, состоит в том, что их новаторские и менее масштабные подходы смогут ускориться после десятилетий постепенного упадка. Инвесторы, наконец, замечают это и вкладывают деньги в эту отрасль. За последние пять лет частные капиталисты ввели около 1 доллара.5 миллиардов долларов в малые компании по производству термоядерной энергии. Среди тех, кто сделал серьезные ставки на слияние, – Джефф Безос из Amazon, Билл Гейтс из Microsoft и венчурный капиталист Питер Тиль. Несколько крупных корпораций, в том числе Lockheed Martin, запустили свои собственные проекты по малой термоядерной реакции.

Джесси Треу, доктор философии физик, который большую часть своей карьеры инвестировал в стартапы в области биотехнологий и медицины, говорит, что в 2016 году он осознал, что «в термоядерной энергии начали происходить замечательные вещи, но финансирование не хватало.Ясно, что частный и венчурный капитал являются частью решения по развитию этой технологии, которая, несомненно, является лучшим энергетическим ответом для планеты ». Он стал соучредителем Stellar Energy Foundation, чтобы связать исследователей термоядерного синтеза с источниками финансирования и обеспечить поддержку и защиту.

И государственные деньги начали поступать за частными: грантодатели Министерства энергетики США, которые на протяжении десятилетий направляли большую часть средств, не связанных с защитой термоядерного синтеза, в ИТЭР, теперь направляют некоторое финансирование на проекты, находящиеся на периферии основных исследований.Федеральный бюджет включает в себя увеличение на 107 миллионов долларов на термоядерные проекты в 2020 финансовом году, включая программу исследовательского партнерства, которая позволяет небольшим компаниям проводить крупные эксперименты в национальных лабораториях Министерства энергетики.

Возобновление интереса правительства США частично объясняется осознанной необходимостью идти в ногу с Китаем, который недавно возобновил свою программу термоядерной энергии после трехлетнего моратория. Китайское правительство планирует запустить в этом году новый термоядерный реактор в провинции Сычуань.Тем временем китайская энергетическая компания ENN Energy Holdings инвестирует в исследовательские программы за рубежом и строит копию компактного реактора Princeton Fusion Systems в центральном Китае с помощью ведущих ученых США.

«Теперь, когда похоже, что Китай поглотит все идеи, которые США не смогли профинансировать, – говорит Мэтью Дж. Мойнихан, инженер-ядерщик и консультант инвесторов по термоядерному синтезу, – это стало пробуждением для правительства США. ”

Несмотря на всю эту деятельность и инвестиции, термоядерная энергия остается серьезной проблемой, как никогда.

В отличие от ядерного деления, при котором большое нестабильное ядро ​​разделяется на более мелкие элементы, реакция синтеза происходит, когда ядра легкого элемента, обычно водорода, сталкиваются с силой, достаточной для слияния и образования более тяжелого элемента. При этом часть массы высвобождается и преобразуется в энергию, как указано в известной формуле Альберта Эйнштейна: E = mc ² .

В нашей Вселенной изобилие термоядерной энергии – Солнце и другие стабильные звезды питаются за счет термоядерного синтеза – но задача запуска и управления самоподдерживающейся реакцией термоядерного синтеза и использования ее энергии, возможно, является самой сложной инженерной задачей, с которой сталкиваются люди. когда-либо пытались.

Чтобы объединить ядра водорода, проектировщикам наземных реакторов необходимо найти способы преодолеть взаимное отталкивание положительно заряженных ионов – кулоновскую силу – и подвести их достаточно близко, чтобы связать их посредством так называемого сильного ядерного взаимодействия. В большинстве методов используются настолько высокие температуры – на несколько порядков выше, чем температура ядра Солнца, составляющая 15 миллионов ° C, – что материя может существовать только в плазменном состоянии, в котором электроны вырываются из своих атомных ядер и свободно циркулируют в газоподобных облаках. .

Но плазма с высокой плотностью энергии, как известно, нестабильна и ее трудно контролировать. Он извивается, корчится и пытается вырваться, перемещаясь к краям поля, в котором он находится, где быстро охлаждается и рассеивается. Большинство проблем, связанных с термоядерной энергией, связано с плазмой: как ее нагреть, как удержать, как сформировать и контролировать. Два основных подхода – это магнитное удержание и инерционное удержание. Реакторы с магнитным удержанием, такие как ITER, пытаются удерживать плазму внутри токамака с помощью мощных магнитных полей.Подходы с инерционным ограничением, такие как NIF, обычно используют лазеры для сжатия и взрыва плазмы так быстро, что она удерживается на месте достаточно долго, чтобы реакция могла начаться.

Ученые давно думали, что чем больше, тем лучше, когда дело доходит до создания стабильных и энергетически плотных плазменных полей. Но с недавними достижениями в области суперкомпьютеров и сложного моделирования исследователи разгадывают все больше загадок, лежащих в основе поведения плазмы, и разрабатывают новые приемы, позволяющие справиться с этим без использования огромного и сложного оборудования.

Среди исследователей, стоящих на переднем крае этой работы, является физик К. Венделл Хортон-младший из Института термоядерных исследований Техасского университета. Он использует университетский суперкомпьютер Stampede для моделирования потоков плазмы и турбулентности внутри реакторов с магнитным удержанием. «Мы делаем расчеты, которые были невозможны всего несколько лет назад, и моделируем данные о плазме в трех измерениях и во времени, – говорит Хортон. – Теперь мы можем видеть происходящее с гораздо большим количеством нюансов и деталей, чем мы могли бы получить с помощью аналитических теорий. и даже самые современные датчики и диагностические измерения.Это дает нам более целостную картину того, что необходимо для улучшения конструкции реактора ».

Находки Хортона послужили основой для разработки крупномасштабных экспериментов, таких как ИТЭР, а также небольших проектов.« Проблема с ИТЭР заключается в том, что неважно насколько хорошо они заставляют плазму вести себя, они еще не выяснили, как добиться самоподдержания реакции », – говорит он. «Он по-прежнему сгорит в считанные минуты, и это, очевидно, не решит энергетической проблемы». Он и другие исследователи полагают, что некоторые из небольших усилий намного ближе к достижению устойчивой реакции, которая могла бы вызвать базовую нагрузку. электричество.

Среди наиболее зрелых стартапов в области термоядерного синтеза находится калифорнийская компания TAE Technologies (ранее Tri Alpha Energy), запущенная в 1998 году.

Реактор TAE спроектирован для использования так называемой конфигурации с обратным полем (FRC). создать закрученное кольцо плазмы, которое находится в собственном магнитном поле. (Конструкция Princeton Fusion Systems также является FRC.) Вместо использования дейтерия и трития – смеси изотопов водорода, которая питает большинство термоядерных реакторов – реактор TAE вводит пучки высокоэнергетических нейтральных частиц водорода в водородно-борное топливо, заставляя реакция, которая производит альфа-частицы (ионизированные ядра гелия).Тепло, генерируемое в защитной оболочке, вызванное отложением энергии мягкого рентгеновского излучения, будет преобразовано в электричество с использованием традиционной системы термического преобразования, которая нагревает воду в пар для привода турбины.

Синтез водорода с бором является анейтронным, что означает, что первичная реакция не производит разрушительного нейтронного излучения. Недостатком является то, что для сжигания топлива требуются необычные температуры, достигающие 3 миллиардов ° C. «Когда тебе так жарко, электроны излучаются как сумасшедшие», – говорит Уильям Дорланд, профессор физики в Университете Мэриленда.«Они собираются охладить плазму быстрее, чем вы можете ее нагреть». Хотя машины FRC кажутся менее склонными к нестабильности плазмы, чем некоторые другие методы магнитного удержания, никто еще не продемонстрировал реактор FRC, который может создать стабильную

Соучредитель и генеральный директор TAE Майкл Биндербауэр говорит, что последняя машина компании, получившая название Norman (в честь соучредителя компании Нормана Ростокера), обеспечивает «значительные улучшения в удержании плазмы и стабильности по сравнению с машиной предыдущего поколения.«Движущей силой улучшений являются достижения в области искусственного интеллекта и машинного обучения, которые стали возможными благодаря передовому алгоритму, разработанному Google под названием Optometrist. TAE адаптировала алгоритм в сотрудничестве с Google для анализа данных о поведении плазмы и определения комбинации переменных. Это создаст самые идеальные условия для синтеза. Исследователи описали это в статье Nature , опубликованной в 2017 году.

«Мы делаем то, что никогда не могли бы сделать 10 лет назад, и это ускоряет и ускоряет циклы обучения. , – говорит Биндербауэр.

Расширенные вычисления также вдохнул новую жизнь в многообещающие направления исследований, которые были заброшены много лет назад из-за сокращения бюджета или технических препятствий. Компания General Fusion, базирующаяся недалеко от Ванкувера, была основана канадским физиком плазмы Мишелем Лабержем. Он оставил прибыльную работу по разработке лазерных принтеров, чтобы реализовать подход, называемый синтезом намагниченной мишени (MTF). Компания привлекла более 200 миллионов долларов, включая инвестиции Джеффа Безоса и правительств Канады и Малайзии.

Конструкция General Fusion сочетает в себе особенности термоядерного синтеза с магнитным и инерционным удержанием. Он впрыскивает импульсы магнитно удерживаемого плазменного топлива в сферу, заполненную вихрем из расплавленного свинца и лития. Поршни, окружающие реактор, направляют ударные волны к центру, сжимая топливо и заставляя частицы вступать в реакцию синтеза. Получающееся тепло поглощается жидким металлом и используется для производства пара для вращения турбины и выработки электроэнергии.

«Вы можете думать об этом как о противоположности токамака», – говорит Лаберж.«Токамаки работают с большим плазменным полем [относительно] низкой плотности. Мы пытаемся создать плазму миниатюрных размеров с чрезвычайно высокой плотностью, раздавливая ее ударными волнами. Поскольку поле настолько плотное и маленькое, нам нужно удерживать его вместе в течение миллисекунды, чтобы оно среагировало ».

В 1970-х годах Лаборатория военно-морских исследований США экспериментировала с поршневой системой, запускающей ядерный синтез. Эти эксперименты не увенчались успехом. в значительной степени из-за невозможности точно контролировать синхронизацию ударных волн.Команда Лаберже разработала передовые алгоритмы и высокоточные системы управления для точной настройки скорости и времени ударных волн и сжатия.

«В тех экспериментах 1970-х проблема заключалась в симметрии, – говорит Лаберж. – Теперь мы достигли необходимой точности и силы, так что эта деталь решена».

Использование жидкого металла может решить еще одну из основных проблем термоядерного синтеза: нейтронное излучение разрушает стенки реактора, которые необходимо часто заменять и утилизировать как низкоактивные радиоактивные отходы.Жидкий металл защищает прочную внешнюю стену от повреждений. Есть некоторое облучение жидкого металла, но нет необходимости его регулярно заменять, поэтому реактор не производит постоянного потока низкоактивных отходов.

Новейший реактор General Fusion, который впервые генерировал плазму в конце 2018 года, является центральным элементом установки, которая, по словам Лабержа, продемонстрирует сквозную способность производить электричество с помощью ядерного синтеза. «Теперь, когда мы успешно создали стабильную долгоживущую плазму, мы видим, что у нас есть реальный путь к тому, чтобы плазма генерировала больше энергии, чем потребляла», – говорит он.«С точки зрения коммерциализации наш график теперь составляет несколько лет, а не десятилетий».

Базирующаяся в Вирджинии компания HyperJet Fusion Corp. использует подход, аналогичный подходу General Fusion, но вместо поршней около 600 плазменных пушек стреляют реактивными двигателями. Плазма в реактор. Слияние струй формирует плазменную оболочку или лайнер, который затем взрывается и воспламеняет намагниченную плазму мишени. Системе не нужна система нагрева, чтобы довести топливо до температур термоядерного синтеза, говорит генеральный директор HyperJet. ученый Ф.Дуглас Уизерспун. «Взрывающийся плазменный лайнер содержит целевую плазму и обеспечивает энергию для повышения температуры до условий термоядерного синтеза. И поскольку мы используем плазму с гораздо более высокой плотностью, чем система магнитного удержания, она уменьшает размер термосплавной плазмы от метрового до сантиметрового масштаба ».

Уизерспун говорит, что преимущество HyperJet перед токамаками состоит в том, что ему не нужны дорогие сверхпроводящие магниты для генерации огромных магнитных полей, необходимых для удержания плазмы, горящей термоядерным синтезом.

Сами токамаки также получают перезагрузку благодаря использованию различных сверхпроводящих материалов, которые могут сделать магнитное удержание более жизнеспособным. Компания Commonwealth Fusion Systems, дочерняя компания Массачусетского технологического института, использует оксид иттрия-бария-меди (YBCO), высокотемпературный сверхпроводник, в магнитах своего реактора Sparc.

Соучредитель Содружества Мартин Гринвальд, который также является заместителем директора Центра плазменных исследований и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института, подсчитал, что магниты YBCO реактора Sparc будут способны создавать поле около 21 тесла на своей поверхности и 12 Тл в центре поля. плазмы, примерно вдвое превышающей напряженность поля магнитов токамаков из ниобия-олова.Более сильные магнитные поля создают более сильную удерживающую силу на заряженных частицах в плазме, улучшая изоляцию и делая термоядерное устройство гораздо меньшего размера, более дешевым и потенциально более эффективным.

«Если вы можете удвоить магнитное поле и уменьшить размер устройства вдвое с той же производительностью, это изменит правила игры», – говорит Гринвальд.

Действительно, одно из преимуществ новых малых проектов термоядерного синтеза заключается в том, что они могут сконцентрироваться на новых аспектах своих разработок, в то же время используя в своих интересах десятилетия с трудом добытых знаний об основах термоядерной науки.По словам Гринвальда: «Мы думаем, что сможем быстрее перейти к коммерческому развертыванию термоядерных электростанций, приняв традиционную физическую основу, разработанную вокруг эксперимента ИТЭР, и сосредоточив внимание на нашем сотрудничестве между физиками и инженерами-магнитами, которые устанавливают рекорды на протяжении десятилетий».

Некоторые многообещающие стартапы, , не согласны с общепринятой точкой зрения и по-новому подходят к физике, лежащей в основе термоядерного синтеза.Один из наиболее радикальных подходов – метод First Light Fusion.Британская компания намеревается производить термоядерный синтез, используя реактор с инерционным ограничением, вдохновленный очень шумным ракообразным.

Отличительная особенность креветки-пистолета – это ее огромная, похожая на пистолет, клешня, которую она использует для оглушения добычи. Отведя назад «молотковую» часть когтя, креветка прижимает ее к противоположной стороне когтя, создавая быстрое изменение давления, которое создает заполненные паром пустоты в воде, называемые кавитационными пузырьками. Когда эти пузырьки схлопываются, пульсируют ударные волны. через воду со скоростью 25 метров в секунду, этого достаточно, чтобы уничтожить мелких морских животных.

«Креветка просто хочет использовать волну давления, чтобы оглушить свою добычу, – говорит Николас Хокер, соучредитель и генеральный директор First Light. плазма, чтобы сформироваться – или что она создала единственный на Земле пример термоядерного синтеза с инерционным удержанием ». Плазма достигает температуры более 4700 ° C, и это создает взрыв мощностью 218 децибел.

Хоукер в своей докторской диссертации в Оксфордском университете сосредоточился на необычной клешне креветки-пистолета и начал изучать, можно ли имитировать и масштабировать физиологию креветки, чтобы вызвать термоядерную реакцию, которая могла бы производить электричество.

Собрав 25 миллионов фунтов стерлингов (около 33 миллионов долларов) и объединившись с международной инженерной группой Mott MacDonald, First Light строит реактор ICF, в котором «коготь» состоит из металлического дискообразного снаряда и куба с заполненной полостью. с дейтериево-тритиевым топливом. Удар снаряда создает ударные волны, которые вызывают кавитационные пузыри в топливе. Когда пузыри схлопываются, топливо внутри них сжимается достаточно долго и с силой, достаточной для плавления.

Хоукер говорит, что First Light надеется инициировать его первая термоядерная реакция в этом году и продемонстрировать чистый прирост энергии к 2024 году.Но он признает, что этих достижений будет недостаточно. «Энергия термоядерного синтеза не должна быть просто научно возможной, – говорит он. – Она должна быть коммерчески жизнеспособной».

Никто не верит, что это будет легко, но необычайная проблема термоядерной энергии – не говоря уже о насущной необходимости – является частью притяжения для многих ученых и инженеров, которые недавно были привлечены к этой области. И все чаще у них появляются ресурсы для финансирования своей работы.

«Это мнение о том, что до термоядерного синтеза осталось еще 30, 40 или 50 лет, неверно», – говорит Биндербауэр из TAE, чья компания привлекла более 600 миллионов долларов.«Мы увидим коммерциализацию этой технологии в течение пяти лет».

Опытные исследователи термоядерного синтеза, такие как Дорланд и Хортон, обычно имеют более сдержанный взгляд на вещи. Они опасаются, что невыполненные грандиозные обещания могут подорвать общественное мнение. поддержка инвесторов, как это происходило в прошлом. Любые заявления о коммерциализации в течение десятилетия «просто неправда», – говорит Дорланд. «Нам еще далеко до перехода к термоядерной энергии».

Однако немногие будут спорить, так это острая необходимость в ядерном синтезе в ближайшем будущем.

«Думаю, не будет преувеличением сказать, что у термоядерного синтеза наступил момент Китти Хока, – говорит Гринвальд из Массачусетского технологического института. – У нас нет самолета 747, но мы летаем».

Эта статья опубликована в печатном выпуске за февраль 2020 года как «5 больших идей для термоядерной энергии».

Край ядерного синтеза на пути к мейнстриму

АБИНГДОН, Англия – Использование термоядерной энергии во что-то коммерчески жизнеспособное – и, возможно, в конечном итоге, чистый источник энергии, который заменяет ископаемое топливо на долгие века, – долгое время считался некоторыми лучшим источником энергии.

Но интерес инвесторов к термоядерной энергии продолжает медленно расти, и количество новых предприятий в этой области растет, и, по оценкам, 1100 человек в нескольких странах зарабатывают на жизнь в этих компаниях. Формируется отрасль с растущей сетью компаний, которые поставляют узкоспециализированное оборудование, такое как компоненты мощных магнитов, необходимых для термоядерных устройств.

Британское правительство даже недавно осознало необходимость принятия нормативных актов в области термоядерной энергии – своего рода веха для растущей отрасли.

Никто не знает, когда термоядерная энергия станет коммерчески жизнеспособной, но увеличение частных инвестиций вызывает растущую тревогу по поводу глобального потепления.

«Ни у кого нет лучшего плана по борьбе с климатическим кризисом», – сказал Дэвид Кингхэм, один из трех соучредителей Tokamak Energy, компании, которая привлекла около 200 миллионов долларов, в основном из частных источников.

Цель Tokamak Energy – в конечном итоге нагреть изотопы водорода до такой степени, чтобы их атомы соединялись в реакции, высвобождающей огромное количество энергии.Это суть слияния, часто описываемого как энергия, стоящая за солнцем и звездами.

В лаборатории компании в бизнес-парке за пределами Оксфорда каждые 15-20 минут в системе громкой связи появляется предупреждение о том, что приближается тест и что всем следует держаться подальше от комнаты с термоядерным устройством, высота которого составляет 14 футов. высокий с толстыми стальными стенками. Раздается жужжащий звук, который длится около секунды. Затем монитор показывает жуткое пульсирующее видео внутри устройства, когда мощный луч попадает в перегретый газ, известный как плазма.

Во время испытаний прототип машины Токамака, строительство которого стоило 50 миллионов фунтов (около 68 миллионов долларов), нагрелся до 11 миллионов градусов Цельсия. Ученые считают, что им нужно достичь 100 миллионов градусов по Цельсию, что примерно в семь раз выше температуры ядра Солнца. Они рассчитывают добраться туда к концу года.

Один из ученых в диспетчерской Токамака, 40-летний Отто Асунта, старший физик, сказал, что с тех пор, как он пришел в компанию шесть лет назад, количество сотрудников выросло в десять раз до 180, а работа стала все более сложной.

«Мы создаем устройства мирового класса», – сказал он.

Название компании относится к типу устройств, изобретенных в Советском Союзе и являющихся сейчас основным направлением деятельности в этой области. Токамаки пытаются достичь термоядерного синтеза, используя мощные магниты для удержания и сжатия перегретого газа, создавая своего рода молнию в бутылке.

Компания была основана в 2009 году учеными, которые думали, что могут добиться большего в небольшой, подвижной компании, чем оставаясь в крупных институциональных лабораториях, таких как британский правительственный исследовательский центр термоядерного синтеза в Калхэме или ИТЭР на юге Франции, где очень большой Устройство диаметром около 100 футов строится за 25 миллиардов долларов.

В то время решение было одиноким; теперь у них много компании.

С начала 1990-х годов количество новых предприятий в области термоядерного синтеза быстро растет. Эндрю Холланд, исполнительный директор Fusion Industry Association, говорит, что существует не менее 35 компаний в нескольких странах, включая США, Великобританию, Францию, Канаду и Китай. Согласно предстоящему исследованию ассоциации и Управления по атомной энергии Великобритании, они собрали в общей сложности 1,9 миллиарда долларов, в основном из частных источников.

Зачем вкладывать деньги в дальние поиски, которые так и не принесли ни цента? Инвесторы говорят, что их привлекает перспектива скорейшего внедрения технологии, которая может изменить правила игры: термоядерного реактора, который производит гораздо больше энергии, чем уходит в него. Такое достижение могло иметь огромные коммерческие перспективы.

Дэвид Хардинг, основатель двух фирм по управлению инвестициями, чьи активы оцениваются в 27 миллионов фунтов стерлингов, является одним из ключевых спонсоров Tokamak Energy.Он сказал, что его давно привлекала идея «дешевой неограниченной энергии с помощью научного волшебства», но теперь «весь импульс глобального потепления делает это еще более очевидным».

Инвесторы говорят, что они уже видят прибыль. Марк Уайт, инвестиционный директор Британского фонда посевных инвестиций в науку и инновации, который дал основателям Токамака первые 25000 фунтов стерлингов, сказал, что, судя по ценам, уплаченным во время сбора капитала в прошлом году, общие инвестиции его фонда в размере 400000 фунтов стерлингов теперь оцениваются примерно в 7 фунтов стерлингов. .5 миллионов. По этому показателю общая стоимость Tokamak Energy составляет около 317 миллионов фунтов стерлингов.

Еще одним инвестором в слияние является Винод Хосла, основатель Khosla Ventures, венчурной компании, расположенной в Менло-Парке, Калифорния, которая поддерживает Commonwealth Fusion Systems, дочернюю компанию Массачусетского технологического института.

В интервью г-н Хосла сказал, что ключом к тому, чтобы сделать такой многолетний проект, как слияние, привлекательным для инвесторов, было разбить предприятие на этапы, которые инвесторы могли бы отслеживать, прежде чем вкладывать больше денег.

Содружество недавно объявило об успешном испытании того, что оно называет самой мощной в мире версией типа магнита, критически важного для многих усилий по термоядерному синтезу, достижению, которому аплодировали инвесторы.

«Не думаю, что у нас возникнут проблемы с финансированием в следующем раунде», – сказал г-н Хосла.

Сторонники Fusion говорят, что развитие магнитов и других областей значительно повысило вероятность успеха. Вопреки своей репутации отрасли, рассчитанной на долгие годы, окупаемость которой ожидается через несколько десятилетий, «на самом деле был достигнут колоссальный прогресс», – сказал Фил Ларошель, инвестиционный менеджер Breakthrough Energy Ventures.Breakthrough, венчурная компания, председателем которой является Билл Гейтс, также инвестировала в Commonwealth.

Ученые в этой области отметили, что приток частных денег и поиск различных подходов к проблеме были положительными.

«Трудно предсказать, какой из них в итоге победит, но будет много хороших исследований и разработок», – сказал Джонатан Э. Менард, заместитель директора по исследованиям Принстонской лаборатории физики плазмы.

Однако в ближайшие годы потребуется значительный рост расходов, говорят руководители Fusion.Tokamak Energy хочет построить пилотную термоядерную установку стоимостью 1 миллиард долларов, используя разработанные ею мощные магниты, которые обеспечивают притяжение во много тысяч раз большее, чем сила тяжести Земли. Устройство могло быть основой для ядра электростанций или для других коммерческих целей.

Убедить инвесторов сделать скачок от однозначных обязательств в миллион долларов к частям от 50 до 100 миллионов долларов, необходимых для нового поколения прототипов, непросто.

«Люди по-прежнему измеряют доходность инвестиций с помощью обычных показателей», например, сколько выручки приносит компания, – сказал Майкл Биндербауэр, исполнительный директор калифорнийской компании TAE Technologies, которая привлекла около 900 миллионов долларов, что является крупнейшей публично определенной суммой.