Российские ученые впервые в мире изучили, как удерживается энергия
термоядерной плазмы в сферическом токамаке нового поколения. Оказалось, что токамак
Глобус-М2 эффективно использует магнитное поле и многократно превосходит
установки предыдущего поколения. От этого параметра зависят показатели
выработки энергии и экономическая производительность термоядерного реактора. Такие
установки позволят снизить стоимость термоядерного реактора-токамака (такого,
как ИТЭР, который сейчас строят во Франции) и скорее внедрить технологии
управляемого термоядерного синтеза в энергетику, подарив человечеству еще один альтернативный
источник энергии. Исследование
проведено при поддержке гранта Президентской программы Российского
научного фонда (РНФ) и опубликовано в
журнале Nuclear Fusion.
«Эксперименты показали, что в
токамаке Глобус-М2 устойчивость плазмы выше, возрастают давление и эффективность
использования магнитного поля. Благодаря этому растет экономическая
производительность реактора. Исследования плазмы на Глобус-М2 проводятся при
температуре выше 10 миллионов градусов, и в этих условиях получена рекордная
для компактных сферических токамаков плотность плазмы. По сравнению с
установкой предыдущего поколения — токамаком Глобус-М, — температура плазмы
возросла вчетверо, а эффективность удержания — втрое. Как результат —
десятикратное увеличение так называемого тройного произведения — основного
критерия эффективности термоядерного реактора. При этом вывод установки на
максимальные параметры еще предстоит осуществить в ближайшие годы», —
рассказывает Глеб Курскиев, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат
физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории физики
высокотемпературной плазмы Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе
(ФТИ) РАН.
Термоядерный
синтез считается наиболее перспективным и безопасным способом добычи энергии. Атомы
легких ядер сталкиваются, чтобы образовать ядра тяжелых атомов. Проведенные за
последние 40 лет исследования показали, что наиболее перспективный способ
управления реакциями синтеза – использование установок типа токамак
(ТОроидальная КАмера с МАгнитной Катушкой), изобретенных в СССР в 60-е годы. Чтобы
изучать реакции синтеза и отрабатывать основные принципы управления реактором,
сейчас строят Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР) во
Франции. Он поможет продемонстрировать
возможность коммерческого использования реактора.
Токамаки представляют собой
тороидальную камеру (похожую на бублик) с магнитными катушками. Внутрь такой
конструкции помещают газ, например изотопы водорода тритий и дейтерий, после
чего нагревают до миллионов градусов Цельсия. При этом образуется газ из
заряженных частиц (ионов и электронов) — плазма. Разогретые ионы сталкиваются
друг с другом, благодаря чему выделяется энергия, превышающая затраченные на
нагревание ресурсы. Этот избыток можно использовать потом в промышленности и энергетике.
Однако из-за очень высокой температуры плазма не может удерживаться стенками
токамака, поэтому в установке создается специальное магнитное поле, которое
отделяет плазму от стенок и позволяет контролировать термоядерную реакцию.
Основная цель ученых – создать
плазму с достаточно высоким значением тройного произведения синтеза: плотностью
и температурой плазмы, а также временем удержания энергии, обозначающим,
насколько хорошо тепловая энергия удерживается в плазме. Проще говоря, это
критерии эффективности термоядерной реакции. К примеру, «зажигание» дейтерий-тритиевой
плазмы требует очень высокого значения тройного произведения, которое в
результате даст количество энергии, достаточное для запуска отдельной
энергетической установки. Но количество выработанной энергии зависит от того,
насколько стабильной будет плазма в реакторе. В обычных токамаках эффективность
использования магнитного поля достаточно низкая из-за возникающей магнитной
неустойчивости, что приводит к высокой стоимости электромагнитной системы. В
этой ситуации необходимо искать способы увеличения стабильности плазмы.
Ученые из ФТИ РАН
(Санкт-Петербург) совместно с коллегами из НИИЭФА имени Д. В. Ефремова, НИЦ
«Курчатовский институт», Института ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН,
СПбГУ, СПбГПУ, МИФИ и других организаций впервые в мире провели исследования на
сферическом токамаке Глобус-М2. Эта установка относится к новому поколению
сферических токамаков наряду с зарубежными проектами NSTX-U (США) и MAST-U
(Великобритания), запуск которых ожидается в ближайшие годы. Обычные и
сферические токамаки отличаются тем, что последние сильно сжаты по оси
симметрии, из-за чего внутренняя камера механизма приобретает форму шара.
Ученые предположили, что новый токамак позволит улучшить удержание энергии
плазмы.
Альтернативные разработки, к
которым относятся и компактные сферические токамаки типа Глобус-М2, позволят
снизить стоимость термоядерного реактора-токамака и скорее внедрить технологии
управляемого термоядерного синтеза в энергетику. Одним из перспективных
направлений является создание гибридных систем, состоящих из сферического
токамака, вырабатывающего топливо для ядерных реакторов из Урана-238 и
Тория-232, и ядерного реактора, работающего на этом искусственно созданном
топливе.
Картинка
1. Токамак Глобус-М2 с подключенными источниками дополнительного нагрева. Вид
сверху. Источник: Глеб Курскиев/ФТИ РАН
Картинка
2. Токамак Глобус-М2. Источник: Глеб Курскиев/ФТИ РАН
Картинка
3. Внутренняя поверхность вакуумной камеры токамака с графитовым покрытием. Источник:
Глеб Курскиев/ФТИ РАН
Пресс-служба Российского научного фонда