Рекорды китайского солнца

В пятницу 28 мая ведущий научный сотрудник хэфэйского Института физики плазмы Китайской академии наук (ASIPP) Гун Сяньцзу, один из руководителей проекта EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak), заявил, что в ходе последнего эксперимента исследователям удалось в течение 101 секунды удержать в рабочем состоянии плазму, разогретую до 120 млн градусов Цельсия.

Запущенный в тестовую эксплуатацию еще в 2006 году, токамак EAST  уже не раз побивал различные технологические рекорды, а последний по времени результат, полученный на нем, заметно превышает предыдущую планку, установленную всего полгода назад исследовательской командой из соседней Южной Кореи — 20 секунд при температуре плазмы 100 млн градусов Цельсия.

Более того, согласно официальным комментариям руководства проекта, в ходе серии майских экспериментов на EAST, гордо именуемом местной прессой «китайским искусственным солнцем», была достигнута максимальная температура плазмы 160 млн градусов Цельсия, которая удерживалась в течение 20 секунд.

И, по словам директора ASIPP Сун Юньтао, «наши экспериментальные успехи — это огромное достижение в области физики и инженерии Китая, которые закладывают основу для строительства собственной китайской станции по производству термоядерной энергии».

Азиатская гонка преследования

Главный конкурент китайского EAST (по крайней мере, по части регулярного достижения рекордных показателей работы), южнокорейский токамак KSTAR (Korean Superconducting Tokamak Advanced Research), был создан специалистами Национального института термоядерного синтеза (National Fusion Research Institute, NFRI, г. Тэджон). Его строительство началось еще в 1995 году и было завершено в августе 2007-го (первая плазма на нем была получена уже в 2008 году). И на тот момент KSTAR стал первым в мире действующим токамаком, оснащенным полностью сверхпроводящей магнитной системой с центральным электромагнитом, а также тороидальной и полоидальной индукторными катушками.

В декабре 2016 года KSTAR установил мировой рекорд по двум основным критериям работы в так называемом режиме высокого магнитного удержания, успешно поддерживая высокотемпературную водородную плазму при температуре около 50 млн градусов Цельсия в течение 70 секунд.

Однако уже спустя полгода, в июле 2017-го, китайцы этот рекорд побили: на экспериментальном токамаке EAST были сгенерированы плазменные импульсы при аналогичной температуре в течение 102 секунд.

Но, как показали теоретические расчеты, требовалось по меньшей мере удвоить экспериментально достигнутую к 2017 году корейскими и китайскими исследователями температуру плазмы, чтобы придать ионам достаточную кинетическую энергию для преодоления отталкивающей электростатической силы, или так называемого кулоновского барьера, которая препятствует их слиянию (проще говоря, добиться того, чтобы ядерные силы притяжения стали больше сил кулоновского отталкивания).

Необходимо также разработать механизмы эффективного удержания ионов на достаточно близком расстоянии друг к другу в течение длительного времени, чтобы избежать быстрого охлаждения плазмы, то есть обеспечить достаточно высокую плотность ионов для поддержания приемлемой скорости реакции.

И в 2018 году корейским специалистам впервые удалось решить важнейшую часть этой технологической головоломки, получив плазму с теоретически требуемой температурой 100 млн градусов, хотя время ее удержания тогда составило лишь полторы секунды. В следующем году на KSTAR удалось увеличить время удержания высокотемпературной плазмы до восьми секунд, тогда как китайские исследователи чуть ранее смогли на токамаке EAST достичь десятисекундного удержания плазмы с той же температурой.

И наконец, в декабре прошлого года корейцы объявили о достижении новой рекордной отметки — двадцатисекундного удержания плазмы при 100 млн градусов Цельсия.

Конечная же цель, прописанная в корейском проекте KSTAR, — магнитное удержание плазмы с температурой ионов более 100 млн градусов в течение пяти минут к 2025 году. Публично заявленная задача китайского EAST еще более амбициозна: на этой установке запланирована фиксация плазмы при температуре около 100 млн градусов в течение более 1000 секунд, или около 17 минут.

Не EAST’ом единым

Помимо заслуженного токамака-рекордсмена EAST в Китае функционируют два других экспериментальных термоядерных реактора. Это J-TEXT, с 2007 года работающий на территории Huazhong University of Science and Technology (HUST, расположен в непосредственной близости от «родины» ковида Уханя) и построенный в ноябре 2019-го токамак HL-2M в исследовательском центре в Чэнду, столице юго-западной провинции Сычуань.

HL-2M — наиболее современная установка, имеющая более совершенную структуру и режим управления. По расчетам его главных разработчиков из Southwestern Institute of Physics (SWIP), этот токамак будет генерировать плазму, нагретую более чем на 200 млн градусов Цельсия. Проект HL-2M непосредственно курируется China National Nuclear Corporation (CNNC), и только на начальном этапе строительства на него было потрачено около миллиарда долларов из госбюджета.

А в дальнейших планах китайских исследователей значится China Fusion Engineering Test Reactor (CFETR), строительство которого планируется завершить до конца текущего десятилетия. Его эскизный вариант был представлен в 2015 году, а инженерное проектирование началось в 2017-м. CFETR предназначен для стационарной эксплуатации, а также для наглядной демонстрации важнейшей технологии самообеспечения тритием. И предполагается, что уже на первой фазе он должен иметь мощность термоядерного синтеза 200 МВт, а на второй фазе достигнуть 1 ГВт (то есть вдвое превзойти заявленный уровень ITER).

Его основная заявленная исследовательская задача — технически связать друг с другом «большие» эксперименты по термоядерному синтезу ITER и DEMO: как известно, DEMO рассматривается в качестве следующей итерации ITER на долгом пути к созданию первой коммерческой термоядерной станции (предположительно он будет построен на базе ITER). И, соответственно, CFETR в идеале должен обеспечить промежуточную техническую валидацию проекта DEMO.

Сферические альтернативы

Что же касается новых успехов британских исследователей, их технологический прорыв связан с завершением экспериментальной проверки нового типа разработанного дивертора — устройства в термоядерных реакторах, служащего для эффективного удаления (охлаждения и теплоотвода) внешних слоев плазменного шнура (ионизированного газа), точнее, для очищения плазмы от различных примесей атомов (тяжелее углерода), образующихся при контактах этого газа с внешней средой).

Специалисты Кулхэмовского центра термоядерной энергии в Оксфордшире смогли добиться серьезного прорыва на альтернативной установке, сферическом токамаке Mega Amp Spherical Tokamak (MAST), строительство которого было завершено в конце 2019 года, а через год там была получена первая дейтериевая плазма (усовершенствованный MAST-Upgrade начал работу 29 октября 2020 года).

Этот альтернативный сферический дизайн (в отличие от мейнстримного токамака-«бублика») в теории считается более эффективным, однако его практическая реализация до сих пор сталкивалась с трудно разрешимыми техническими проблемами.

В частности, по расчетам, в сферическом реакторе-токамаке внешние слои плазмы «уносят» с собой примерно пятую часть общей энергии термоядерной реакции. И стандартные диверторы, используемые в JET и ITER (внешне похожие на чаши и устанавливаемые на дне корпуса реактора), не слишком подходят для альтернативного сферического дизайна. В частности, тепловая плазменная нагрузка, составляющая десятки мегаватт на квадратный метр, при использовании «обычных» диверторов оказывается слишком большой и приводит к быстрому разрушению защитного материала устройства.

Исследователи из Кулхэмовского центра смогли создать новый вид дивертора для установки MAST-U под названием Super-X. Выложенный графитовой плиткой, Super-X имеет форму воронки, идея которой заключается в том, что плазменная нагрузка при выходе из токамака распределяется по большей площади. Осуществленное ими компьютерное моделирование показало, что дивертор Super-X может радикально снизить тепловой поток и температуру плазмы в диверторе: вместо тепловой нагрузки 50 МВт/м² она снижается всего до 5 МВт/м².

После этого британские инженеры и ученые провел полевые испытания и наконец смогли подтвердить то, что показало компьютерное моделирование: дивертор Super-X действительно может снизить тепловую нагрузку примерно в десять раз.

И, по словам Иэна Чепмена, главы Управления по атомной энергии Соединенного Королевства (UKAEA), которое непосредственно координирует различные термоядерные проекты, осуществляемые в Кулхэмовском центре, «этот результат показывает большие перспективы для компактных конструкций и обещает, что материалы в термоядерных установках будут служить гораздо дольше, прежде чем потребуется их замена, что крайне важно для [будущих] коммерческих реакторов».

А по мнению одного из ведущих разработчиков MAST-U Эндрю Кирка, этот результат позволяет надеяться, что стенку дивертора нужно будет заменить только один раз в течение полного срока службы энергоустановки.

Установка MAST — ключевая составляющая нового большого термоядерного проекта Spherical Tokamak for Energy Production (STEP), который был анонсирован правительством Великобритании в октябре 2019 года. Британские власти уже выделили на его реализацию 220 млн фунтов стерлингов на четыре года для разработки «прототипа коммерчески эффективной термоядерной электростанции (сферического токамака)».

Кроме того, еще одним долгосрочным проектом, в котором раньше других был выбран «сферический» дизайн, является американский National Spherical Torus Experiment (NSTX), курируемый специалистами Лаборатории плазменной физики Принстона (Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL, штат Нью-Джерси).

Он был введен в тестовую эксплуатацию еще в 1999 году (первая плазма была получена в феврале 1999-го). А в 2012-м дальнейшие эксперименты на NSTX были приостановлены и на нем запустили программу модернизации (соответственно, он стал называться NSTX-U, где U обозначало upgrade). Модернизация NSTX-U стоимостью 94 млн долларов была завершена в 2015 году, но, проработав лишь чуть более двух месяцев, эта установка была снова остановлена из-за выхода из строя одной из полоидальных катушек. И до сих пор возникшие технические проблемы американским исследователям, судя по всему, решить так и не удалось: по крайней мере, последнее упоминание о NSTX в научно-популярном сегменте интернета датируется февралем 2020 года (публикация в журнале Science) и в этой статье были процитированы туманные обещания руководителей PPPL, что NSTX-U может быть перезапущена летом 2021 года.

Отметим также, что в декабре 2020-го члены Консультативного научного комитета по термоядерной энергии США (FESAC) единогласно утвердили стратегический план, который будет определять финансирование различных программ министерства энергетики США по исследованию термоядерного синтеза и плазмы в течение ближайшего десятилетия.

И в этом плане были в том числе обозначены инвестиционные приоритеты для объектов и программ, нацеленных на создание экспериментальной термоядерной установки/электростанции на территории США к 2040-м годам (впервые эта идея прозвучала в совместном докладе Национальных академий США в 2018 году).

Однако среди приоритетных установок для содействия достижению этой генеральной задачи в новой стратегии пока значатся Fusion Prototypic Neutron Source (FPNS), «прототипический нейтронный источник для термоядерного синтеза», который позволит проводить испытания различных перспективных материалов для термоядерных реакторов, и новый американский токамак EXCITE (его запуск запланирован на 2030 год), на котором предположительно будут отрабатываться технологии «борьбы» с экстремальными тепловыми потоками, ожидаемыми в компактных термоядерных установках.

Что же касается NSTX и прочих альтернативных проектов (в том числе с использованием реакторов-стеллараторов и других подходов), в новом плане FESAC лишь обтекаемо заявлено, что «инвестиции в эту область важны как в качестве стратегии снижения рисков по подходу на основе [традиционных] токамаков, так и для общего стимулирования инноваций, которые потенциально могут ускорить прогресс на пути к созданию экспериментальной термоядерной установки и развертыванию коммерческой термоядерной энергии».