Концепт термоядерной электростанции
Culham Centre for Fusion Energy
Великобритания приступит к проектированию термоядерной электростанции на основе компактного сферического токамака. Правительство страны выделило деньги на реализацию концепта, который планируется завершить к 2024 года. За это время планируется проведение научных исследований, изготовление прототипов компонентов и создание оборудования для испытаний технологии, говорится в пресс-релизе на сайте британского правительства.
Термоядерная энергетика ставит своей задачей получение полезной энергии при слиянии ядер легких элементов. Такая схема в самом общем смысле аналогична происходящим в ядрах звезд реакциям. Основной проблемой является создание и поддержание подходящих условий.
Так как ядра заряжены одинаково, то они испытывают кулоновское отталкивание, из-за чего их сложно сблизить, а без этого их слияние невозможно. Преодолеть это можно путем нагрева вещества до очень высоких температур, но тогда в случае контролируемого процесса возникает две проблемы: разогретая плазма повреждает материалы, с которыми приходит в контакт, а связанное с температурой высокое давление приводит к быстрому расширению и охлаждению.
В звездах эти обстоятельства обходятся с помощью огромной массы вышележащих слоев. В этом смысле звезды — не очень эффективные преобразователи энергии — на единицу массы всего Солнца выделяется примерно столько же энергии, сколько и в случае гниющих листьев, несмотря на высокое абсолютное энерговыделение в ядре.
Ученые предложили несколько возможных схем удержания плазмы, которые, как правило, связаны с сильными магнитными полями. Основными концепциями являются токамак и стелларатор. Термоядерные реакторы разных конструкций есть во многих странах мира, в том числе в России, США, Германии и Китае.
Самым крупным проектом в этой области является международный токамак ITER, который в данный момент строится во Франции. Однако эта установка не будет электростанцией — вырабатываемое ей тепло планируется рассеивать, а основным результатом ее функционирования должна стать доработка технологий. Первой настоящей термоядерной электростанцией может стать следующий токамак DEMO, но его постройка завершится не раньше 2040 года.
Великобритания решила самостоятельно включиться в гонку за реализацией коммерчески жизнеспособного термоядерного реактора. Правительство выделили 220 миллионов фунтов (примерно 270 миллионов долларов США) на доработку проекта STEP (Spherical Tokamak for Energy Production — сферический токамак для производства энергии). Эту технологию развивают в Калхэмском центре термоядерной энергии (Culham Centre for Fusion Energy, CCFE), подразделении Управления по атомной энергии Соединённого Королевства (United Kingdom Atomic Energy Authority, UKAEA). В этом научном центре уже создано два современных токамака — MAST и JET.
В то время как у обычного токамака плазма находится в виде тора, в сферическом токамаке сделана попытка максимального уменьшения малого радиуса, в результате чего форма плазменного облака получается близкой к шарообразной, ее также сравнивают с яблоком с удаленной сердцевиной. Такая конструкция позволяет сдерживать плазму менее интенсивными магнитными полями, но масштабируемость такого подхода находится под вопросом.
Чиновники ожидают, что выделенных средств хватит для разработки к 2024 году окончательного варианта проекта. В результате также должен появиться реализуемый план строительства полноценной термоядерной электростанции к 2040 году. В документе отмечается, что установка MAST будет играть ключевую роль в новом проект, ее запуск после обновления планируется в начале 2020 года.
Ранее мы сообщали, что плазменный шнур в токамаке EAST продержался дольше 100 секунд, частная британская компания получила первую плазму в новом токамаке, а на установке KSTAR поставили мировой рекорд по удержанию плазмы. В целом в последние годы наблюдается всплеск исследований в области термоядерной энергетики, о чем мы писали в материале «Больше токамаков».
Тимур Кешелава