Шаг на пути к термоядерному реактору: корейским учёным удалось на 20 секунд зажечь на Земле искусственное Солнце

Попробуем ответить на наивные вопросы с помощью Владимира Рожанского, профессора Высшей инженерно-физической школы Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ — участник Проекта 5-100, это программа повышения конкурентоспособности ведущих российских университетов).

1. Почему 20 секунд это круто?

Комментарий эксперта: Чтобы зажечь термоядерную реакцию с положительным выходом энергии (когда полезная энергия термоядерного синтеза превышает затраты на нагрев плазмы) нужно иметь три достаточно высоких параметра:

— температура плазмы должна превышать 100 млн градусов

— концентрация плазмы должна тоже быть достаточной

— время удержания энергии (время, которое плазма будет оставаться горячей при выключении источников нагрева) также должно быть достаточно большим.

На корейском токамаке KSTAR, как и на других современных токамаках выполнены пока только первые два условия, а время удержания — недостаточно. На сегодняшний день 20 секунд на KSTAR с его относительно небольшими размерами — это много.

2. Работы над созданием термоядерного реактора начались еще полвека назад. Почему за это время не удалось создать действующую установку?

Комментарий эксперта: 50-летняя история управляемого термоядерного синтеза связана в значительной степени с проблемой удержания плазмы в магнитном поле. В ней развиваются многочисленные неустойчивости, которые переводят плазму в турбулентное состояние, вызывают уход энергии из объема реактора и падение времени удержания. Более 50 лет понадобилось человечеству на решение этой проблемы. Один из способов — увеличение размеров реактора, так как время удержания плазмы растет пропорционально квадрату размеров. Самый большой термоядерный реактор ИТЭР будет иметь радиус около 6 метров. Ну и, конечно, разработаны многие новые технологии, которых мы не имели 50 лет назад.

3. Почему корейцам удалось продвинуться вперед? Какую фишку они применили?

Комментарий эксперта: При работе необходимо поддерживать сильное магнитное поле за счет токов в катушках реактора. При этом в обычных катушках происходят огромные потери энергии. Чтобы этого избежать, надо использовать сверхпроводящие материалы для катушек, работающих почти при нулевых температурах по Кельвину. Такая технология используется на KSTAR . Кроме этого, удалось создать так называемый внутренний транспортный барьер с подавленной турбулентностью, что привело к общему улучшению удержания.

4. Какой эффект может быть от термоядерного реактора, если его удастся создать?

Комментарий эксперта: Человечество получит практически неисчерпаемую «зеленую» энергию.

5. Чем термоядерные реакторы лучше, чем реакторы на действующих АЭС, которые используют реакцию не синтеза, а деления?

Комментарий эксперта: Постепенно приходит осознание того факта, что атомная энергетика на реакциях деления, не может быть использована в перспективе из-за экологических проблем, связанных с утилизации отходов, возможных аварий и т.д. Да и ее коммерческая привлекательность существенно падает из-за расходов необходимых при выводе реакторов из эксплуатации. Не случайно многие страны, например Германия, постепенно отказываются от атомной энергетики. Термоядерная энергетика свободна от этих недостатков.

6. В каком временном горизонте стоит ждать появления работающего устройства?

Комментарий эксперта: Первая плазма на термоядерном реакторе ИТЭР должна быть получена осенью 2025 года. Думаю, затем уйдет еще 10-15 лет работы реактора, чтобы к концу этого периода получить самоподдерживающуюся термоядерную реакцию.

Научная группа СПбПУ под руководством профессора Рожанского занимается расчетами пристеночной плазмы — то есть, как и какие примеси будут поступать в термоядерный реактор, как будет перераспределяться мощность, которая идет из центральной зоны, и так далее. Для этого учеными Политехнического университета был разработан специальный численный код – SOLPS-ITER. Сейчас он объявлен как официальный для расчета параметров пристеночной плазмы не только ITER (это Международный экспериментальный термоядерный реактор, построен на юге Франции), но и всех существующих установок.