Новый рекорд производства энергии для европейского токамака

21 декабря Объединенный европейский торус (JET), крупнейший в мире токамак, успешно поддерживал плазму при температуре 150 миллионов градусов Цельсия в течение 5 секунд. Ученые из консорциума EUROfusion сообщают о производстве 59 мегаджоулей энергии, что более чем в 2,5 раза превышает предыдущий рекорд в 22 мегаджоуля, установленный реактором в 1997 году. Это новое достижение не только демонстрирует потенциал термоядерной энергии как безопасного и устойчивого источника энергии, но и укрепляет проект ИТЭР, строительство которого в настоящее время ведется на юге Франции.

Поскольку мир стремится сократить выбросы парниковых газов для борьбы с глобальным потеплением, ядерный синтез становится очень перспективным источником энергии. Он основан на практически неограниченном топливе — в случае JET и ITER это смесь дейтерия и трития — и включает в себя безопасную и экологичную реакцию. Задача состоит в том, чтобы поддерживать это производство энергии в течение долгого времени и, прежде всего, повысить его эффективность: в этом новом эксперименте реактор потреблял примерно в три раза больше энергии, чем производил.

JET произвел в общей сложности 59 мегаджоулей (МДж) тепловой энергии в течение пяти секунд, что дает мощность термоядерного синтеза около 11 мегаватт. «Устойчивый импульс дейтерий-тритиевого синтеза на таком уровне мощности — почти в промышленных масштабах — является убедительным подтверждением для всех, кто участвует в глобальном поиске термоядерного синтеза«, — говорится в заявлении д-ра Бернара Биго, генерального директора ИТЭР. Ожидается, что ИТЭР будет вырабатывать энергию, по крайней мере, в десять раз превышающую количество введенной энергии.

Несмотря на прогресс в исследованиях, мы все еще далеки от производства электроэнергии с помощью ядерного синтеза. Действительно, ни один эксперимент не привел к чистому производству энергии. В прошлом году исследователи из National Ignition Facility — установки, основанной на термоядерном синтезе с инерционным удержанием, — максимально приблизились к этой цели: на очень короткий момент им удалось произвести 1,3 МДж, что эквивалентно 70% энергии начального лазерного импульса!

Лучшие показатели JET относятся к 1997 году: реактор кратковременно (на 1,5 секунды) достиг максимальной мощности 16 МВт, то есть двух третей входной мощности (24 МВт). Проект ITER — это своего рода усовершенствованная и расширенная версия JET, предназначенная для обеспечения более высокой производительности; этот токамак шириной 20 метров сможет вместить в десять раз больше плазмы, чем JET (830 м³, если быть точным). Теоретически, больший объем плазмы позволяет дольше поддерживать условия термоядерного синтеза, что затрудняет утечку тепла.

Ожидается, что ИТЭР вступит в строй в конце 2025 года.

Тем временем JET, расположенный в научном центре Кулхэм в Абингдоне, недалеко от Оксфорда, используется в качестве испытательного стенда, на котором проводятся различные эксперименты по оценке различных материалов и технологий. Например, первоначально он был облицован углеродом, поскольку он устойчив к плавлению, но оказалось, что углерод «впитывает топливо, как губка», — рассказала Science Фернанда Римини, эксперт по плазменным операциям JET.

Поэтому конструкторы ИТЭР остановили свой выбор на бериллиевых и вольфрамовых вкладышах. И чтобы проверить их эффективность, JET был соответствующим образом адаптирован: с 2006 года он претерпел несколько изменений, чтобы сделать его почти идентичным будущему ITER, чтобы на нем можно было проводить всевозможные предварительные эксперименты. Поэтому его магниты, система нагрева плазмы и внутренняя стенка похожи на магниты будущего гигантского реактора.

В 2011 году, после внесения изменений, команда провела дополнительные испытания, но они оказались безрезультатными. «Мы не могли достичь таких же [мощных] показателей«, — вспоминает Стив Коули, который в то время руководил Кулхэмским центром термоядерной энергии. Команда JET обнаружила, что ионы в плазме вступают в реакцию с ионами вольфрама в стенке, что приводит к потере тепла. Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи ввели тонкий слой газа (азота, неона или аргона) вблизи стенки реактора, чтобы охладить внешние края плазмы и предотвратить ее реакцию с вольфрамом.

Наконец, чтобы еще больше приблизиться к экспериментальным условиям ИТЭР, в сентябре 2021 года команда решила заменить топливо на дейтерий-тритиевую смесь. В большинстве термоядерных реакторов для экспериментов используются водород и дейтерий (поскольку тритий, быстро распадающийся радиоактивный изотоп водорода, присутствует в природе лишь в незначительных количествах) — в настоящее время тритий производится в обычных ядерных реакторах, но ученые ожидают, что термоядерная реакция сама будет производить необходимый тритий (в результате реакции между нейтронами, образующимися в ходе реакции, и литием-6). Тем временем, JET имеет системы переработки, способные извлекать несгоревшие ионы трития и дейтерия из отходящих газов после каждого испытания и затем перерабатывать их.

После нескольких лет работы JET начнет свой последний цикл экспериментов с середины 2022 года до конца 2023 года, после чего будет выведен из эксплуатации. «Это был самый успешный термоядерный эксперимент всех времен, но пришло время передать его ITER«, — сказал Джо Милнс, руководитель работ JET.