Британская компания Tokamak Energy заявила, что разрабатывает новую технологию лазерных измерений, которая имеет решающее значение для контроля экстремальных условий внутри реакторов будущих термоядерных электростанций и доставки чистой энергии в сеть. Для этого плазменный жгут должен оставаться стабильным, что при рабочих температурах свыше 100 млн градусов так просто не проверить.

Источник изображений: Tokamak Energy

Контролировать качество плазмы в реакторе — её плотность и температуру — предложено с помощью новой лазерной системы дисперсионного интерферометра. Сейчас она работает на испытательном стенде в штаб-квартире Tokamak Energy в Оксфорде, прежде чем позже в этом году будет установлена на прототипе сферического термоядерного реактора компании — установке ST40.

«Измерение плотности плазмы является ключом к нашему пониманию и контролю термоядерного топлива и эффективной работе будущих электростанций, — сказал физик плазмы сотрудник Tokamak Energy Тадас Пираджиус (Tadas Pyragius). — Лазерный луч, пропускаемый через плазму, взаимодействует с электронами и сообщает нам плотность топлива, что важно для поддержания условий термоядерного синтеза и безопасной подачи энергии в сеть».

«Экстремальные условия, создаваемые процессом термоядерного синтеза, означают, что нам необходимо усовершенствовать технологию лазерной диагностики уже сейчас, чтобы продвигаться вперёд в выполнении нашей миссии по обеспечению чистой, безопасной и доступной термоядерной энергии в 2030-х годах».

В прошлом году компания Tokamak Energy успешно ввела в эксплуатацию на установке ST40 лазерную диагностику на эффекте томсоновского рассеяния для получения подробных показаний температуры и плотности плазмы в определенных местах. В дополнение к этому новая система дисперсионного интерферометра будет определять среднюю плотность по всему плазменному жгуту. Компания утверждает, что это будет простой, надёжный и безотказный способ контроля качества плазмы в реакторе, который обязательно найдёт применение в будущих электростанциях.

Визуализация проекта ST80-HTS

Добавим, компания Tokamak Energy объявила в феврале 2022 года, что к 2026 году построит новый прототип сферического токамака — ST80-HTS, который будет располагаться в кампусе Управления по атомной энергии Великобритании в Калхэме, недалеко от Оксфорда. Следующим шагом станет создание экспериментальной термоядерной установки ST-E1, которая должна будет в начале 30-х годов продемонстрировать способность вырабатывать до 200 МВт чистой электроэнергии. За этим последует запуск коммерческих термоядерных установок мощностью 500 МВт «в середине 2030-х годов».

Британская компания First Light Fusion стала первым коммерческим клиентом, получившим допуск для экспериментов на установке Z Machine в Сандийских национальных лабораториях (SNL). Компания First Light Fusion разработала уникальный «ускоритель» давления для запуска термоядерных реакций и эксперименты на американской установке позволили испытать платформу на недостижимых ранее уровнях давления.

Источник изображения: Sandia

Принцип запуска термоядерной реакции на платформе First Light Fusion базируется на создании таких условий вокруг топливной мишени, при которых более лёгкие атомы преодолевают кулоновское отталкивание и сливаются с образованием более тяжёлых, отчего выделяется много энергии. В токамаках, например, для этого создаётся температура свыше 100 млн °C. Но можно пойти другим путём, и в частности обойтись без магнитного удержания. Для этого придумано инерционное удержание, когда вокруг топлива создаётся запредельное давление, к примеру, тем или иным ударным воздействием.

Установка Z Machine (Z-Pinch) в Сандийских лабораториях считается самой мощной импульсной электрической установкой такого типа в мире. В Европе тоже есть подобное устройство — Machine 3, но оно значительно слабее по характеристикам. Британцам нужно было выйти на более высокий уровень, чтобы подтвердить характеристики фирменного «ускорителя» давления. При пиковой мощности в 80 трлн ватт американская установка с помощью электромагнита запускает снаряды с более высокими скоростями, чем любая другая установка в мире.

Компания First Light Fusion получила или купила право на три выстрела. Всего Z Machine в Сандийских лабораториях делает около 200 выстрелов в год. Успешный первый эксперимент First Light установил новый рекорд давления для кварца на сандийской установке, повысив его с 1,5 терапаскаля (ТПа) до 1,85 ТПа, сохранив при этом образцы и обеспечив условия для проведения необходимых измерений. Испытания подтвердили верность используемых теоретических моделей и конструкции прототипа системы поджига.

Интересно, что около года назад компания First Light Fusion подписала с Управлением по атомной энергии Великобритании (UKAEA) соглашение о проектировании и строительстве объекта для размещения нового демонстратора Machine 4. Начало строительства было намечено на 2024 год на территории кампуса Кулхэм в Оксфордшире. Начало эксплуатации установки ожидается в 2027 году. Вряд ли получение допуска к экспериментам на Z Machine в США отменило предыдущий проект. Обуздание термоядерной энергии — это дело муторное и долгое. К этому принято двигаться, выверяя каждый свой шаг.

Добавим, установка Machine 4 компании First Light Fusion будет передавать топливной мишени энергию за счёт удара разогнанного до скорости 60 км/с кварцевого снаряда. При попадании в мишень уникальный «ускоритель скорости» компании разгонит продукты удара до 200 км/с и сфокусирует их на топливной мишени в виде обжимающих мишень сферических волн. Комбинация кинетического и лазерного удара обещает значительно снизить энергопотребление термоядерной установки. Впрочем, Machine 4 тоже станет проверкой концепции, от которой до настоящей термоядерной установки будет очень и очень далеко.

В серии из шести научных статей в мартовском выпуске журнала IEEE Xplore учёные Массачусетского технологического института рассказали о разработке и принципах работы новых электромагнитов на основе высокотемпературной сверхпроводимости. Эта разработка названа крупнейшим за последние 30 лет прорывом в области создания коммерчески выгодных термоядерных реакторов.

Источник изображений: MIT

Первые испытания масштабного прототипа высокотемпературного сверхпроводящего электромагнита состоялись 5 сентября 2021 года в лабораториях Центра науки о плазме и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института (PSFC). Изделие массой около 9 тонн создало электромагнитное поле силой 20 тесла. Конструкция электромагнита была создана с нуля с использованием новых принципов и масштабные испытания должны были подтвердить правильность расчётов, моделей и самой идеи, которая на тот момент была крайне новаторской.

До появления этой разработки существующие на тот момент технологии и электромагниты уже могли создавать поля необходимой напряжённости, чтобы удерживать нагретую до 100 млн °C плазму в изоляции от стенок рабочей камеры. Однако эффективность работы подобных систем была далека от требований рентабельности. Учёные из MIT с коллегами из компании Commonwealth Fusion Systems смогли создать намного более компактные и дешёвые в производстве и поддержке электромагниты, которые позволили заявить об их впечатляющей энергоэффективности.

«За одну ночь это практически изменило стоимость ватта термоядерного реактора почти в 40 раз», как позже заявили участники эксперимента. «Теперь у термоядерного синтеза есть шанс, — утверждают учёные. — Наиболее широко используемая конструкция для экспериментальных термоядерных устройств, получила шанс стать экономичной, потому что у вас появились скачкообразные изменения в этой области». Это способность значительно уменьшить размер и стоимость объектов, которые сделали бы возможным термоядерный синтез.

Один из секретов успеха новой конструкции электромагнитов стал отказ от изоляции проводов в обмотках катушек. В это трудно поверить, но учёные использовали в обмотке голые провода без опасений пробоев и коротких замыканий. Эффект сверхпроводимости создал в обмотках такие условия, что замыканием между витками можно было пренебречь. Эксперимент подтвердил правильность выбора. Катушка электромагнита осталась надёжной и стала гораздо меньше в размерах, а также по стоимости и с точки зрения общего размера реактора.

В качестве обмотки был выбран высокотемпературный сверхпроводник REBCO — это редкоземельный оксид бария-меди, который позволяет достигать сверхпроводящего эффекта при температуре 20 К — это на 16 К выше обычной сверхпроводимости, что меняет правила игры несмотря на кажущуюся небольшую разницу в глубине охлаждения. На один электромагнит ушло 300 км полосы REBCO. Только представьте, сколько экономии пространства в катушке стало возможным благодаря отказу от изоляции этого провода. Кстати, в MIT не назвали поставщика этого провода, поэтому им вполне может оказаться китайский производитель Shanghai Superconductor, например.

Позже во время испытаний магнита на критических режимах были проверены теоретические модели его поведения вплоть до частичного разрушения (расплавления обмотки). Это было важно для улучшения конструкции и отработки эксплуатационных характеристик электромагнитов для использования в будущих термоядерных реакторах. Выход сегодня статей по разработке стал возможным после получения патентов на конструкцию электромагнитов и принципы их работы. Исследование приближает тот момент, когда на Земле может зажечься рукотворное Солнце, а энергия в электросетях станет бесконечной и практически чистой.

Европейский термоядерный реактор Joint European Torus (JET) в британском Оксфорде установил новый мировой рекорд по объёму выработанной энергии в одном цикле реакции синтеза. Установка работала рекордные 6 секунд и произвела за это время 69,26 мегаджоулей тепловой энергии. Новый эксперимент стал очередным доказательством того, что проект ИТЭР будет успешным, поскольку токамак JET — это его уменьшенная копия.

Внутри рабочей камеры термоядерного реактора. Источник изображения: Christopher Roux (CEA-IRFM)/EUROfusion

Установка JET была построена совместным усилием нескольких европейских стран 40 лет назад. В собственность британской UKAEA она перешла в октябре 2021 года, поскольку Великобритания вышла из ЕС. Около двух месяцев назад JET прекратил работу и будет демонтирован. За всё время термоядерный реактор создал свыше 100 тыс. импульсов с запуском термоядерной реакции синтеза.

Как и в будущем термоядерном реакторе проекта ИТЭР, и в будущей первой термоядерной европейской электростанции DEMO, в реакторе JET используется дейтерий-тритиевое топливо в соотношении 50/50. Это означает, что все реакции в JET и методы контроля над плазмой и формой её жгута в «пончике» рабочей камеры будут проходить одинаково с учётом, конечно, разных масштабов. На опыте JET учёные научились создавать ровную кромку плазмы без срывов на стенки сосуда, что даст возможность реактору ИТЭР работать максимально устойчиво с самой первой плазмы.

Реактор JET исчерпал свои возможности. Плазму в его рабочей камере удерживают обычные электромагниты с обмоткой из медной проволоки (в составе ИТЭР будут сверхпроводящие магниты). Он просто не сможет работать с большими энергиями. В своём прощальном эксперименте он за 6 секунд сжёг 0,21 мг дейтерий-тритиевого топлива, разогрев плазму до 150 млн °C и выработав рекордный объём энергии за один сеанс. Кстати, в 20 раз больше, чем на американской установке NIF в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, о чём европейские учёные упомянули в пресс-релизе.

Но надо сказать, эксперимент в JET не дошёл до самоподдерживающейся термоядерной реакции. Затраченной энергии было намного больше, чем получено в ходе реакции синтеза. В этом плане американцы оказались впереди планеты всей, хотя тоже с массой оговорок. В целом, наука об управляемом термоядерном синтезе в земных условиях медленно, но верно движется к своей цели — зажечь на Земле рукотворное солнце и получить бесконечный источник чистой энергии.

В последние дни уходящего года в Китае были созданы две сверхструктуры для ускорения движения к практическому использованию энергии термоядерного синтеза. Речь идёт не столько о науке, как о коммерческих решениях ближайшего будущего. Если графики работ будут соблюдены, к 2035 году в Китае начнёт работать прототип промышленного термоядерного реактора, а к 2050 году термоядерные электростанции будут строиться по всей стране.

Источник изображения: China National Nuclear Corporation

В Китае 29 декабря 2023 года состоялась церемония учреждения государственной компании China Fusion Energy Inc. Она объединит исследования и разработки в области термоядерной энергетики в Китае, которые ранее были распределены между исследовательскими институтами и частными фирмами. Одновременно с этой структурой был создан консорциум из 25 организаций во главе с Китайской национальной ядерной корпорацией (CNNC). Консорциум будет решать ряд фундаментальных проблем, мешающих практическому освоению энергии термоядерного синтеза.

Создание столь мощных организаций и передача в их руки всех ранее разрозненных ресурсов даёт понять, что центральные власти Китая считают переход к термоядерной энергетике ключевым в промышленности и экономике. Для решения финансовых вопросов также был создан соответствующий фонд. Участниками консорциума стали не только профильные научные организации, но также такие государственные компании, как China Aerospace Science and Industry Corporation и State Grid Corporation of China. Для понимания масштаба усилий — это примерно как если бы под эгидой «Росатома» термоядерной проблематикой также начали бы заниматься РАО ЕЭС и «Ростех».

Согласно опубликованной CNNC информации о встрече, 13 членам новоиспечённого консорциума было поручено решить первый набор из 10 задач, которые касаются таких вопросов, как высокотемпературные сверхпроводящие магниты, материалы для термоядерных реакторов и высокопроизводительные накопители энергии. В первом приближении, если говорить о планах новых структур, Китай намерен построить промышленный прототип термоядерного реактора к 2035 году и внедрить технологию для крупномасштабного коммерческого использования к 2050 году.

Основной научный и экспериментальный задел предоставят две научные организации Китая: Юго-Западный институт физики (SWIP), расположенный в городе Чэнду на юго-западе Китая, и Институт физики плазмы (IPP) при Академии наук Китая в провинции Аньхой.

Китай позже всех включился в гонку за термоядерной энергией, но он быстро навёрстывает упущенное. Так, с 2011 по 2022 год именно Китай подал больше патентов в области термоядерного синтеза, чем любая другая страна.

Летом 2023 года термоядерный реактор HL-2A впервые сгенерировал плазму с током силой более 1 млн ампер в режиме улучшенного удержания, а экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST), разработанный Институтом физики плазмы в Хэфэе (провинция Аньхой) стал первым в мире полностью сверхпроводящим токамаком. В конце 2021 года он стал первым в своем роде, способном работать с длительностью импульса 1056 секунд. Есть и другие достижения, которые позволяют китайским учёным надеяться первыми в мире освоить практический термоядерный синтез — зажечь на Земле «искусственное Солнце».

Группа учёных из Висконсинского университета в Мадисоне нашла возможность уменьшить размеры рабочих зон термоядерных реакторов. Исследователи испытали особое напыление для внутренних стенок камер реактора, которое не только лучше отводило тепло, но также связывало нейтральные атомы водорода в плазме — источник снижения мощности плазменного шнура и путь к преждевременному прекращению реакции.

Источник изображения: University of Wisconsin-Madison/Николай Яловега (в центре снимка)

«Эти нейтральные частицы водорода вызывают потери мощности в плазме, что делает очень сложной задачу поддержания горячей плазмы и создания эффективного небольшого термоядерного реактора», — поясняет руководитель группы Николай Яловега, научный сотрудник в области ядерной инженерии и инженерной физики Висконсинского университета в Мадисоне (UW–Madison).

Для решения указанной проблемы команда Яловеги в качестве тугоплавкого покрытия внутренних стенок реакторной зоны испытала холодное напыление танталом. Частицы этого тугоплавкого металла распылялись и расплющивались до состояния блинов на поверхности нержавеющей стали. Такое нанесение не создавало сплошной слой металла, а оставляло границы по контуру каждой капли. Именно эти пограничные участки, как оказалось, очень легко связывали нейтральный водород, если его атомы вылетали из плазменного шнура.

Более того, выработавшую свой ресурс поверхность стенки с танталовым напылением не нужно было затем выбрасывать или перерабатывать, а вместо неё устанавливать новое изделие. Простой нагрев восстанавливаемого участка до сверхвысоких температур высвобождал захваченный водород, и элемент конструкции камеры снова был готов для работы в реакторе. Такое решение, очевидно, заметно облегчит и удешевит ремонт термоядерных реакторов. Наконец, технологически простое напыление позволит на месте ремонтировать внутренние стенки реакторной зоны.

«Создание композита из тугоплавкого металла с такими характеристиками, как хорошо контролируемое обращение с водородом в сочетании с эрозионной стойкостью и общей упругостью материала, является прорывом в разработке плазменных устройств и систем термоядерной энергетики», — сказал второй автор работы Оливер Шмитц. — Особенно интересна перспектива замены сплава и включения других тугоплавких металлов для улучшения композитных материалов для ядерного применения».

Свою разработку исследователи испытали на университетской установке WHAM (Wisconsin HTS Axisymmetric Mirror). Установка является также испытательным полигоном для проектирования термоядерной электростанции, чем на проекте занимается компания Realta Fusion, созданная выходцами из университета.