Термоядерный синтез: стеллараторы против токамаков

В Германии успешно запущен термоядерный реактор Wendelstein 7-X (W7-X). Ученые Института физики плазмы имени Макса Планка в городе Грайфсвальд получили гелиевую плазму и удержали ее в течение одной десятой секунды. Wendelstein 7-X – крупнейший в мире термоядерный реактор типа стелларатор, и получение тестовой плазмы подтверждает возможность использования стеллараторов в качестве промышленных термоядерных реакторов.

При помощи микроволнового импульса мощностью 1,8 киловатт физики нагрели один миллиграмм газообразного гелия до температуры приблизительно один миллион градусов Цельсия – после чего удержали полученную плазму в равновесии в течение 0,1 секунды.

Конфигурация бублика стелларатора

термоядерный синтез

Для управляемого синтеза гелия из водорода необходимо удерживать очень горячую плазму в магнитных полях. Тут существует два главных подхода: учёные создают ловушки — токамаки и стеллараторы.

Первые обладают камерой в виде тора с простым овальным сечением и ровной круглой формой в плане. Токамаки оснащаются сравнительно простыми (по форме) плоскими магнитами и отличаются более-менее низкой потерей энергии плазменного жгута, что, потенциально, предопределяет и низкий расход энергии на поддержание плазмы.

Стеллараторы, в первом приближении, это тоже «бублики». Но форма их очень сложна: и сечение их имеет непростую форму, и сам «бублик» несколько раз перекручен и изогнут. Магниты, создающие удерживающее поле, здесь весьма сложны по геометрии.

У токамаков есть проблема со стабильностью плазмы, которая прилипает к стенкам камеры. У стеллараторов проблем с этим нет.

У стеллаторов другой недостаток — велики потери энергии плазмы. Из-за этого им трудно достичь необходимых температур и времени удержания, достаточных для запуска термоядерного синтеза.

Справка:

Стелларатор — замкнутая магнитная ловушка для удержания высокотемпературной плазмы. Принципиальное отличие стелларатора от токамака заключается в том, что магнитное поле для изоляции плазмы от внутренних стенок тороидальной камеры полностью создаётся внешними катушками, что, помимо прочего, позволяет использовать его в непрерывном режиме. Его силовые линии подвергаются т. н. вращательному преобразованию, в результате которого эти линии многократно обходят вдоль тора и образуют систему замкнутых вложенных друг в друга тороидальных магнитных поверхностей.

Пробкотрон Локхид

Для сравнения – в 1968 году советские ученые разогрели на токамаке плазму до температуры в 10 миллионов градусов и удерживали ее в течение 10 миллисекунд. Причем на западе время удержания было на порядок меньше. То есть можно уверенно констатировать существенный прогресс, который по экспертным оценкам может лет через 50 позволить создать промышленный термоядерный реактор.

Во всех стеллараторах, построенных в XX веке, конфигурации вращательного преобразования были аналогичны друг другу, одна из таких конфигураций была запатентована в СССР под названием Торсатрон. Конфигурация типа «торсатрон» была не слишком совершенна и имела множество недостатков, значительно сокращавших теоретическое время удержания плазмы. Поэтому долгое время удержание плазмы в токамаках имело существенно лучшие показатели, чем в стеллараторах. Однако изучение поведения плазмы в стеллараторах-торсатронах позволило создать в дальнейшем стеллараторы принципиально нового типа. Именно такой стелларатор используют в Институте имени Макса Планка.

Существенный прогресс в развитии стеллараторов был достигнут в начале XXI века в связи с мощным развитием компьютерных технологий и, в частности, компьютерных графических программ. С их помощью была оптимизирована магнитная система стелларатора. В результате появилась совершенно новая конфигурация вращательного преобразования — если в конфигурации «торсатрон» нужное магнитное поле создавалось двумя обмотками, то в новой конфигурации магнитное поле создавалось исключительно одной обмоткой, состоящей из модульных трехмерных тороидальных катушек, сложно искривленная форма которых была рассчитана с помощью компьютерных графических программ.

Так выглядит реальный стелларатор

термоядерный синтез

Следует отметить, что в настоящее время реально идет гонка по исследованию термоядерного синтеза. Недавно американская корпорация Локхид-Мартин объявила, что ей удалось достичь прорыва на направлении, которое долгое время считалось неперспективным. Сотрудники лаборатории Skunk Works, принадлежащей Lockheed Matrin, на установке под названием «пробкотрон» (линейная плазменная ловушка с магнитными зеркалами) получили высокотемпературную плазму и намерены приступить к созданию промышленного реактора мощностью в 100 мегаватт размером два на три метра. Тот есть десяток таких реакторов, которые можно разместить в прицепе одного трейлера, могут полностью обеспечить электроэнергией Крым.

Впрочем, токамаки без боя не сдадутся. Не так давно в Китае на токамаке удалось получить превышение полученной энергии над ее затратами. Китайские физики смогли также поддерживать режим удержания плазмы в экспериментальной термоядерной установке — токамаке — EAST в течение рекордных 30 секунд, пишет журнал Nature Physics.

Россия утратила былые лидирующие позиции и в настоящее время участвует в проекте ИТЭР ( международный термоядерный экспериментальный реактор), где на реакторе типа токамак предполагается получить промышленные результаты к 2050 году.

Автор: Владимир Прохватилов, Президент Фонда реальной политики (Realpolitik), эксперт Академии военных наук

Добавляйте CСб в свои источники дзен