В Массачусетском технологическом институте (МТИ), на токамаке Alcator C-Mod удалось добиться самого высокого давления плазмы за всю историю наблюдений. О результатах работы исследователи сообщили на саммите Международного агентства по атомной энергии в Японии. «Лента.ру» рассказывает об этом достижении и выясняет его роль в современной физике.
Токамак, то есть тороидальная камера с магнитными катушками (термин предложен русским физиком Игорем Головиным), предназначен для достижения условий, необходимых для термоядерного управляемого синтеза. Традиционная атомная энергетика основана на делении, расщеплении ядра атома. Термоядерная — на синтезе тяжелых атомных ядер из легких. Фактически внутри токамака создается маленькая звезда. Однако уже более полувека физикам не удается провести термоядерный синтез, пригодный для получения энергии.
В токамаке атомы дейтерия и трития удерживаются тороидальным магнитным полем, создаваемым электрическим полем. Возникает также электрический ток, который проходит через смесь атомов. Для дополнительного нагрева используется микроволновое излучение. Атомы нагреваются примерно до ста миллионов градусов, превращаясь в плазму («горячий суп» из протонов и электронов). Когда частицы сталкиваются, сливаясь в тяжелые атомы, выделяется энергия.
Чтобы извлечь ее, плазма должна находиться в устойчивом состоянии. Проблема в том, что на создание и поддержание нужных для термоядерной реакции условий в реакторе, энергии тратится больше, чем выделяется. Ученые комбинируют разные сочетания температуры, давления и времени удержания плазмы. Если произведение этих трех параметров будет выше определенного порога, то реакция получится именно такой, какая требуется.
Давление внутри токамака определяют температура и плотность. Удвоение давления приводит к четырехкратному повышению выделяемой энергии.
Ученые использовали чрезвычайно мощные магнитные поля, чтобы уплотнить «суп» из атомов, и добились увеличения давления плазмы на 16 процентов, до двух атмосфер. Предыдущий рекорд в 1,77 атмосферы был установлен в 2005 году на том же токамаке.
Внутри токамака
Фото: Robert Mumgaard / Wikipedia
Рекордный показатель продержался две секунды при температуре 35 миллионов градусов Цельсия (в два раза горячее ядра Солнца). В токамаке происходили 300 триллионов реакций синтеза в секунду, а индукция магнитного поля достигла 5,7 тесла (для сравнения: сувенирный магнитик создает поле в пять миллитесла). Хотя этого недостаточно для устойчивости плазмы, данный рекорд, по мнению специалистов, — важный шаг на пути к энергетически выгодным реакторам.
По словам Дейла Мида (Dale Meade), бывшего заместителя директора лаборатории физики плазмы Принстонского университета, это достижение подтверждает ведущую роль мощного магнитного поля в создании условий для термоядерного синтеза. Однако вскоре после мирового рекорда Министерство энергетики США прекратило финансировать Alcator C-Mod. Вместо этого американцы присоединятся к проекту ITER (Международный термоядерный экспериментальный реактор), куда также внесут свой вклад ЕС, Китай, Индия, Южная Корея, Россия и Япония.
Схема термоядерного реактора
Изображение: Wikipedia
Россия поставляет сверхпроводящие магниты, устройства нагрева плазмы, а также бланкеты — устройства, которые улавливают высокоэнергичные нейтроны, образующиеся при термоядерной реакции. В результате можно получать тритий — сырье для термоядерной реакции — в количестве, большем, чем было израсходовано в реакции слияния.
ITER — это гигантский токамак высотой с семиэтажный дом, который строится на юге Франции, в 60 километрах от Марселя. Его магниты весят примерно столько же, сколько Boeing 747, а объем превышает Alcator C-Mod в 800 раз. Расчетная мощность — 500 мегаватт, как у современных крупных ядерных реакторов. Первые эксперименты намечены на 2025 год. Общая стоимость проекта достигает 19 миллиардов евро.
Токамак снаружи
Фото: Jim Irby, Head of Operations, MIT Plasma Science and Fusion Center
В то же время ученые из МТИ доказали, что даже в сравнительно небольших реакторах (объем Alcator C-Mod — один кубометр) можно получить подходящие условия. Это выходит за рамки общепринятой точки зрения. Открытие дает шанс частным компаниям, располагающим собственными реакторами. Например, Tokamak Energy, основанная специалистами из Национальной лаборатории синтеза в Великобритании, собирается получить результат к 2025 году. Команда Skunk Works, принадлежащая Lockheed Martin, еще в 2014 году заявила о создании небольшой установки, однако была раскритикована сторонними специалистами.
Группа Tri Alpha Energy применяет технологию ускорителей частиц и поддерживается Полом Алленом, сооснователем Microsoft. В General Fusion, которая спонсируется главой Amazon Джеффом Безосом, создают удерживающий плазму вихрь из расплавленного свинца и лития. С ними конкурируют Helion Energy, First Light Fusion и Dynomak из Вашингтонского университета.