Да будет супер-свет: как развиваются технологии термоядерного синтеза в мире и в России

Термоядерный синтез: особенности процесса и конструкции реактора

Некоторые романтично настроенные натуры сравнивают термоядерную установку с искусственным солнцем. Это не совсем верно по сути: в термоядерном синтезе звезд задействовано немалое количество водорода, и для его удержания требуется большая масса небесных тел.

На Земле водородный ядерный синтез запустить сложно именно из-за недостаточности количества вещества. Недавнее открытие Геологической службой США большого количества природного водорода в недрах Албании и Западной Африки (до 5,6 трлн тонн газа) проблемы не решает, поскольку он большей частью недоступен для добычи.

Поэтому в энергетической среде при оценке запуска термоядерного синтеза подразумевают использование изотопов водорода. Наиболее распространен дейтерий, в меньших количествах – тритий. И хотя в экспериментальных установках физики-ядерщики работают в основном с простым водородом или с дейтерием, в промышленных реакторах будет использован исключительно дейтерий и тритий.

Дейтерия на Земле хватает, его получают из морской воды за счет уже освоенной технологии. А тритий можно синтезировать, к примеру, с помощью нейтронного облучения лития, запасов которого на планете в десятки млн тонн. При этом для термоядерного процесса достаточно всего несколько миллиграммов трития. Таким образом, получаемого за счет синтеза трития хватит для выработки термоядерной энергии на миллионы лет.

Ключевой вопрос сейчас в сооружении действующего в промышленных масштабах термоядерного реактора. Проблема опять же в специфике процессов. Для реакции ядер дейтерия и трития их необходимо перевести в состоянии плазмы. Что требует невероятных температур – до 100 млн °C (для сравнения – температура солнечного ядра оценивается «всего» в 15 млн °C). Дополнительное условие – это возможность удержания плазмы от соприкосновения с металлическими стенками реактора.

Международные экспериментальные проекты по термоядерному синтезу

Теоретические наработки советских ученых позволили в свое время сконструировать вакуумную установку, в которой плазму можно разогревать до необходимой для синтеза температуры с помощью электротока. Удерживается при этом она с помощью магнитных полей, излучаемых внешними катушками.

Названный «токамаком» такой аппарат впервые изготовили в Курчатовском институте в 1968 году – тогда ученые смогли разогреть плазму до 11,6 млн °C. Впоследствии токамаки начали конструировать по всему миру в научно-исследовательских лабораториях – всего было запущено более 300 проектов подобного типа. К примеру, в 1994 году в США на токамаке TFTR в ходе термоядерного синтеза зафиксировали макроскопическое выделение термоядерной мощности на уровне 10,5 МВт. На европейском токамаке JET в 1997 году физики сумели получить термоядерную мощность почти в 17 МВт, а в 2023 году – выделили уже 69 МДж энергии.

Следующим закономерным шагом в развитии технологий термоядерной реакции становится постройка и запуск токамака, способного производить энергию в промышленных масштабах. Сейчас усилиями ученых из разных стран во Франции реализуется ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) – Международный экспериментальный термоядерный реактор.

Это грандиозный термоядерный комплекс, который разместится на 180 га. Сам токамак представляет собой сооружение высотой 30 м и весом в 23 000 т. Проект предполагает создание сверхпроводящих проводов для электромагнитных систем длиной более, чем в 100 000 км.

В рамках ITER физики намерены разогреть плазму до 300 млн °C. В случае успешно проведенных испытаний термоядерная реакция внутри токамака станет самоподдерживающейся, не требующей энергии извне.

Согласно первоначальным планам, первые эксперименты с нагреванием плазмы в комплексе ITER должны были проводиться уже в 2025 году. Однако из-за технических накладок было принято коллективное решение по отложенным срокам запуска работы токамака. Проблемы связаны с несоблюдением размеров секторов вакуумной камеры, в которой должна циркулировать плазма. В процессе строительства также были выявлены дефекты сварки в охлаждающих трубах кожуха вакуумной камеры – для устранения этих неполадок потребуется переоборудование десятков километров труб.

В совокупности на полное техническое переформатирование проекта ITER и окончательное доведение до ума потребуется 10 лет: новый срок по запуску токамака назначен на 2035 год. Это, однако, не значит, что все планируемые научные исследования свернуты до момента официального пуска ITER. Эксперименты с малыми токами плазмы ученые планируют развернуть по мере сборки основного реактора.

Как бы то ни было, основная цель ITER – в проведении экспериментальных исследований. Для генерации электрического тока будет задействован другой международный проект – DEMO, демонстрационный термоядерный энергетический реактор. В рамках реализации этого токамака построят электростанцию, источником питания которой станет термоядерный синтез.

Согласно проекту, DEMO будет на 15% больше ITER по линейным размерам, а плотность нагреваемой плазмы – выше на треть. Сейчас DEMO находится на стадии инженерного проектирования, первый этап конструирования реактора и электростанции планируется завершить в середине 2040-х годов.

ITER и DEMO – не единственные крупные проекты по запуску термоядерного процесса синтеза. В ходе испытаний на термоядерном полигоне Кorea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) в Южной Корее физики в 2024 году смогли «разогреть» плазму до 100 млн °C в течение 48 секунд. Это абсолютный рекорд по времени продолжительности экспериментов с термоядерным синтезом. Следующая поставленная цель перед учеными-исследователями – добиться нагревания в корейском токамаке до такой же температуры в течение 300 секунд, – возможно, это произойдет уже в 2026 году.

Троицкий ТРТ – российское термоядерное «солнце»

В России вся научная работа по развитию технологий термоядерного синтеза и строительства отечественных токамаков ведется рамках федерального проекта «Разработка технологий управляемого термоядерного синтеза и инновационных плазменных технологий».

В ноябре 2024 года в Национальном исследовательском ядерном университете МИФИ был запущен первый на постсоветском пространстве учебный токамак – установки, в которой высокотемпературную плазму удерживают магнитными полями. Этот научно-исследовательский комплекс получил название «Мифист».

В процессе запуска «Мифиста» испытатели сумели получить плазму температурой около 500 тыс. °C в течение 20 миллисекунд. Такие довольно скромные результаты неудивительны: это всего лишь учебный токамак, не предназначенный для выдачи рекордных параметров. Внешний радиус «Мифиста» составляет всего 25 см, а проектный радиус кольца плазмы, которую будут получать на установке, – около 13 см.

Тем не менее, в России сегодня реализуется также большой, серьезный проект по строительству и запуску термоядерного реактора – токамака Т-15МД с реакторными технологиями (ТРТ) на территории Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (ГНЦ РФ ТРИНИТИ в Новой Москве). Проект пока что находится на стадии эскизного проектирования всех необходимых элементов: магнитной системы, вакуумной камеры, оболочки криостата и т. д.

По расчетам ученых, Троицкий ТРТ будет оборудован инновационными технологиями. Так, магнитную систему Т-15МД планируют сконструировать из высокотемпературного сверхпроводника второго поколения, способного работать в условиях чрезвычайно сильного электромагнитного поля. Предполагается, что индукция магнитного поля в ТРТ сможет достигать до 8 Тл, тогда как аналогичные показатели в токамаке того же ITER будут добираться максимум до 5,3 Тл.

Российская термоядерная установка будет более компактной по размерам, чем токамак ITER. Но при этом сможет разогреваться до рекордных температур – в этом помогут мощные источники СВЧ-излучения, так называемые гиротроны. Частота гиротронов в ТРТ составит 220 ГГц, тогда как на токамаке ITER максимальное значение гиротронов – 170 ГГц.

Также в конструкции Троицкого термоядерного реактора планируют реализовать расширенное управление профилями параметров плазменного шнура.

Параллельно с проработкой проекта будущего токамака уже идет строительство будущего комплекса на базе ТСП (токамака с сильным полем), сооруженного в Троицке в 1980-х годах. В рамках реконструкции комплекса будут модернизированы четыре ударных генератора с маховиками, которые планируют использовать в качестве одного из вариантов источника питания будущего токамака.

Первый этап реконструкции комплекса под ТРТ будет закончен к концу 2025 года. Ранее планировалось запустить работу Т-15МД к 2030 году, но, скорее всего, сроки сдвинутся. Вывод токамака на 12 МВт мощности при нагреве плазмы позволит вывести его на общемировой уровень, а в перспективе планируется довести мощность Т-15МД до 25 МВт. Ожидается, что в токамаке Троицкого термоядерного комплекса получится разогревать плазму до максимальных значений в 150 млн °C.

По мановению термоядерного синтеза: где использовать новейшие технологии будущей энергетики?

Постройка и ввод в эксплуатацию Троицкого ТРТ с последующим достижением проектных мощностей термоядерного синтеза продемонстрирует возможности потенциального выхода на промышленный масштаб новой энергетики.

Однако разработка этих технологий подразумевает использование не только в энергетике – перспективы тут самые широкие. Так, лазер и плазму уже применяют при создании прочных и устойчивых к коррозии материалов для авиации и медицины. Расположенная в Троицком институте (Росатом) промышленная установка для комплексной лазерно-плазменной обработки деталей позволяет упрочнять конструкции с помощью плавления верхнего слоя через нагрев лазером плазмы.

Большие промышленные перспективы имеют и сверхпроводники второго поколения, используемые в установке Т-15МД. Их применение не ограничивается наукой: на практике возможно применение в передаче энергии по линиям электропередач. В медицине магнитные катушки запросто можно использовать в томографии.

В целом же энергия термоядерного синтеза в не таком уж далеком будущем будет задействована в космической индустрии – при создании мощных двигателей для освоения ближнего и дальнего космоса. Сейчас такие идеи кажутся научной фантастикой, но многие ученые уже разрабатывают подобного рода проекта: первые шаги в глубины Вселенной начинаются с маленького термоядерного шага.