Соперники токамака

Ученые ищут способы предотвратить постоянную нейтронную бомбардировку, которая делает стенки токамака сильно радиактивными. Фото: Lawrence Berkeley National Laboratory

35 лет назад академик Лев Андреевич Арцимович (1909–1973) сказал, что термоядерный реактор будет построен тогда, когда он будет нужен. Сейчас можно констатировать, что этот момент приблизился к нам «на расстояние вытянутой руки». Потому что при нынешнем уровне потребления энергии углеродосодержащего топлива в разведанных месторождениях (включая уголь) должно хватить на 40–50 лет. К сожалению, потребление постоянно возрастает, и возрастает, увы, не по линейному закону. Что же касается перспективы добычи нефти в Северном ледовитом океане, то она пока что куда более призрачна, чем запуск на Луне сети АЭС с последующей транспортировкой энергии на Землю при помощи лазерного луча.

В настоящий момент основные надежды на достижение управляемого термоядерного синтеза связаны с токамаком — реактором правильной геометрической формы (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками — термин, предложенный Андреем Дмитриевичем Сахаровым (1921–1989) и Игорем Евгеньевичем Таммом (1895–1971), рассчитавшими и его первый проект). Первый токамак был создан под руководством Арцимовича в Институте ядерной энергии им. И.В.Курчатова в 1960-е годы. В его камере, заполненной смесью изотопов водорода, при температуре в сотни миллионов градусов происходила термоядерная реакция синтеза инертного газа гелия с выделением обладающих огромной энергией нейтронов.

Но с токамаками связана одна серьезная проблема: плазма, удерживаемая внутри тороидальной камеры магнитным полем, нестабильна. В процессе неконтролируемого дрейфа она «сползает» к внешним стенкам реактора, мгновенно охлаждается, и происходит «большой срыв» реакции. Сравнительно недавно время удержания плазмы составляло десятые доли секунды. Сейчас счет уже идет на секунды, и тем не менее на удержание плазмы приходится тратить почти столько же энергии, сколько производится. Рекорд пока принадлежит токамаку EAST китайского Института физики плазмы — 1,25:1.

Опираясь на эти обнадеживающие результаты, мировое научное сообщество строит во Франции грандиозный экспериментальный токамак ITER. Предполагается, что к 2015 году он будет выдавать мощность 1 ГВт при времени непрерывного горения плазмы более часа. Выходная мощность должна превышать затрачиваемую в 10–15 раз. Ну, а к 2030–2050 году на базе ITER будет создан прототип коммерческой термоядерной электростанции.В проекте стоимостью 13 миллиардов долларов принимают участие Евросоюз, Индия, КНР, Россия, США, Южная Корея и Япония.

 

Раскаленная плазма внутри Tokamak Fusion Test Reactor. Фото: Princeton Plasma Physics Laboratory

Мятый бублик

Однако научные поиски получения мирной термоядерной энергии не сводятся лишь к одному «токамачному мейнстриму». Есть еще два направления, также весьма обнадеживающих. Один из них — создание стеллараторов, которые, как и токамаки, представляют собой реакторы с магнитным удержанием плазмы. В них точно так же осуществляется синтез гелия из тяжелых изотопов водорода при тех же самых температурных режимах и давлении в миллионы атмосфер. Однако механизм разогрева плазмы и ее магнитного удержания в стеллараторах иной.

В токамаке плазма «удерживает сама себя». То есть тороидальные магнитные катушки, насаженные на тороидальную замкнутую камеру, создают магнитное поле, которое наводит в круговом плазменном шнуре ток. Этот ток создает полоидальное поле, которое удерживает плазму, сжимает шнур в диаметре (это называется пинч-эффектом), не давая плазме соприкасаться с холодными стенками камеры. Помимо этого электрический ток в плазме нагревает ее за счет омического сопротивления. Правда, такого нагрева недостаточно, и в камеру приходится инжектировать пучки нейтральных атомов высокой энергии либо использовать высокочастотное облучение плазмы.

Стелларатор, разработанный под руководством Лео Спитцера (Leo Spitzer, 1887–1960) в Принстонском университете (Princeton University), конструктивно сложнее токамака. Он представляет собой перекрученный и деформированный в плане бублик. Не менее причудлива конфигурация насаженных на него магнитных катушек. За счет этой изощренности удается отказаться от использования тока в плазме в качестве генерации удерживающего поля, формирующегося внутри камеры. Эту роль играет внешнее по отношению к камере реактора поле, создаваемое внешними магнитами сложной конфигурации.

За счет этого удается существенно повысить стабильность плазмы, надежно препятствуя ее соприкосновению с холодными стенками камеры. Рекордное время поддержания и нагрева плазмы, превышающее 54 минуты, было зафиксировано на японском стеллараторе LHD. То есть по этому параметру токамак ITER должен приблизиться к стеллараторам лишь через десять лет.

Еще одно достоинство данного типа термоядерных реакторов заключается в том, что винтовая обмотка стелларатора способна очищать рабочую смесь от примесей и удалять продукты реакции. Впрочем, такие — диверторные — обмотки начали использовать и в токамаках нового поколения.

Но есть и существенный недостаток — большие потери энергии плазмы, вызванные неравномерностью удерживающего магнитного поля, запирающего группы частиц в своих гофрах. Из-за этого пока не удается получить в реакторе данного типа температуру, обеспечивающую устойчивый термоядерный синтез. Проблема усугубляется еще и тем, что сверхпроводящие магниты стелларатора для создания поля необходимой напряженности потребляют энергии существенно больше, чем катушки токамака, в котором поле создает ток в плазменном жгуте.

Внутренний вид японского стелларатора Large Helical Device. Фото: NIFS (Japan)

Ученые в разных странах мира небезуспешно пытаются решить эту проблему, о чем свидетельствуют параметры нагрева плазмы в новейших стеллараторах. К таковым относятся вышеупомянутый японский LHD (Large Helical Device) в токийском Национальном институте ядерного синтеза (National Institute for Fusion Science) и создающийся в Институте физики плазмы Макса Планка (Max-Planck-Institut für Plasmaphysik) Wendelstein 7-X, где температура плазмы приближается к 10 миллионам градусов. Увеличение температуры достигается не только за счет увеличения энергии инжектируемых в плазму атомов, но прежде всего при помощи усовершенствования магнитных ловушек, сглаживания неравномерностей удерживающего поля. В результате этих мероприятий, ставших возможными благодаря моделированию процессов на современных суперкомпьютерах, получается квазисимметричное поле, потери энергии в котором приближаются к потерям в токамаках.

В немецком проекте принимают участие ученые из других стран, среди которых есть россияне и украинцы. Wendelstein 7-X будет крупнейшим стелларатором в мире. Большой радиус рабочей камеры — 5,5 м (3,6 м у японского LHD). Малый радиус — 0,5 м. Мощность нагрева плазмы — 20 МВт. Сверхпроводящие магнитные катушки NbTi с рабочей температурой 1,8 К имеют индукцию 6 Тл.

К квазисимметричному типу стеллараторов относится и запущенный в середине этого года HSX (Helically Symmetric eXperiment), на создание которого группа ученых из университета Висконсина-Мэдисона (University of Wisconsin–Madison) под руководством Дэвида Андерсона (David Anderson) потратила 17 лет. На основании результатов тестирования установки ее создатели утверждают, что по уровню потерь энергии плазмы он ничем не уступает современным токамакам. HSX, можно сказать, — миниатюрный стелларатор в сравнении с японским и немецким «собратьями». Большой радиус рабочей камеры у него 1,2 м. Малый — 0,3 м. Магнитные катушки создают индукцию 1,37 Тл при рабочем токе 13,4 кА. Мощность нагрева плазмы — 100 кВт. И при этом плазма нагревается до температуры почти 20 миллионов градусов — отменный показатель.

Выбор реактора системы токамак для глобальной международной программе ITER объясняется несколькими причинами. Во-первых, ощутимый прорыв к режимам, при которых получаемая энергия синтеза приблизилась к затрачиваемой энергии, произошел на реакторах данного типа раньше. Во-вторых, затраты на строительство стеллараторов выше, поскольку они сложнее в конструктивно-технологическом отношении. К тому же эффективность работы стелларатора сильно зависит от его размеров — чем он больше, тем лучше. Следовательно, и стоят они дороже, что непосредственно влияет и на стоимость вырабатываемого электричества. И, наконец, в-третьих, как всегда, когда решается вопрос о расходовании миллиардов долларов, сработали и бюрократические рычаги, и политические. И нам остается с удовлетворением констатировать, что отечественная научная школа взяла верх над американской.

Мишень, используемая в проекте NIF, — цилиндр с капсулой топлива. Ширина капсулы — всего несколько миллиметров, а по величине она сравнима с маленькой горошиной. Фото:Lawrence Livermore National Security, LLC, and Lawrence Livermore National Laboratory

Стрельба по тарелочкам

В 1960-е годы, когда появился лазер, возникла идея получения термоядерной энергии при помощи инерционного термоядерного синтеза. Ее суть такова. В реакторную камеру с определенной частотой вбрасывают мишень, представляющую собой миллиметровый шарик, заполненный дейтерием и тритием, и поджигают его мощным лазерным лучом. В результате происходит последовательная череда термоядерных микровзрывов, энергия которых преобразуется в электрическую. Что напоминает работу двигателя внутреннего сгорания, где дискретная энергия воспламенения топлива превращается в непрерывное вращательное движение.

Идея оказалась красивой, но трудно реализуемой в техническом отношении. Проще всего было создать мишень и испытать ее традиционным для военных методом — под землей, с использованием в качестве запала плутониевого заряда. Мишень представляет собой шарик диаметром в 1–3 мм. Под твердой оболочкой в ней находится слой замороженного топлива — дейтерий и тритий. В центре мишени — разреженное газообразное DT-топливо. Оболочки для мишеней могут изготавливаться из разнообразных материалов — металлических сплавов и пластиков.

Для поджига мишени необходимо приложить к ней мощность с плотностью 10²⁰ Вт/см². При этом излучатель — драйвер — должен выдавать 10-наносекундный импульс с энергией в несколько МДж. Существуют и другие жесткие требования. Неравномерность облучения мишени не должна превышать 1% (мишень со всех сторон «поджаривается» несколькими лучами). И, наконец, для получения выходной мощности в 1 ГВт необходимо поджигать мишени с частотой 5–6 Гц. В результате воздействия на мишень громадной энергии она сжимается, в ее «полом» центре происходит термоядерная реакция, которая распространяется на твердое замороженное, топливо.

Существуют две схемы поджига мишени — прямой, когда лучи лазера падают непосредственно на ее поверхность. И при помощи отражающей камеры из тугоплавкого материала, например, вольфрама, в которую лучи проникают через отверстия и многократно отражаются от стенок.

NIF — один из краеугольных камней специальной программы Министерства энергетики США (Stockpile Stewardship Program). Для запуска реакции в NIF будет использован самый большой в мире лазер. Этот эксперимент должен помочь ученым убедиться в возможностях ядерного оружия без проведения реальных испытаний, а также станет источником ценной информации для фундаментальной науки и термоядерной энергетики. Фото: DOE

Наибольших результатов в освоении инерционного термоядерного синтеза добились американцы на 192-лучевой лазерной установке NIF (National Ignition Facility), расположенной в Ливерморе. Она обрушивает на мишени энергию в 1,8 МДж. Однако использование лазера для генерирования коммерческой электроэнергии весьма проблематично в связи с низким кпд лазеров. Но США, потратившие на создание NIF более 5 миллиардов долларов, предполагали использование ее не только и, вероятно, не столько для решения энергетической проблемы, сколько для разработок новых видов вооружений.

Куда более перспективными для поджига мишеней являются ионные пучки тяжелых элементов, например, свинец. (Пучки легких ионов, несмотря на простоту их генерации, не позволяют добиться необходимой фокусировки луча, а также теряют энергию при прохождении через остаточный газ в камере сгорания).
Одна из главных сложностей при создании драйверов пучков тяжелых ионов — достижение значительной плотности частиц в импульсе. И, похоже, она вскоре будет устранена. Ученые американской национальной исследовательской лаборатории Беркли на установке NDCX-1 (Neutralized Drift Compression Experiment facility), экспериментируя с ионами ксенона, ртути и цезия смогли сжать полученный на выходе ускорителя 200-наносекундный импульс до 4 наносекунд. Это стало возможно благодаря некой хитроумной магнитной системе, которая, как говорится в релизе, разгоняет «хвост» импульса быстрее, чем «голову».

Энергия импульса пока невелика — 255 кэВ, и ее явно недостаточно для поджигания DT-мишени. Однако исследователи полны оптимизма, намереваясь создать более совершенную установку NDCX-2. И это означает, что будет построен многокилометровый линейный ускоритель.

И в заключение стоит сказать несколько слов о рабочей камере реактора инерционного синтеза. Существует проект HYLIFE-11, согласно которому камера имеет диаметр 8 метров и высоту 20 метров. Для поглощения энергии взрыва используется жидкая завеса из расплавленной соли Li₂BeF₄, окружающая область, куда вбрасываются мишени. Жидкая завеса служит также для смывания остатков мишеней и демпфирования давления взрывов, сила которых эквивалентна 20–200 кг в тротиловом эквиваленте. Расход жидкого теплоносителя составляет 50 м³/с. Предусмотрена жидкая шторка, открывающаяся синхронизировано с подачей мишени с частотой около 5 Гц для пропускания пучка тяжелых ионов. Точность подачи мишени составляет доли миллиметра.

Кто в итоге победит в термоядерной «гонке» — токамаки, «мятые бублики» или установки инерционного ядерного синтеза, в самые ближайшие годы всё же вряд ли станет понятно. Но победитель будет  — это определенно ясно уже сейчас.   
автор: Владимир Тучков