Немецкая компания Marvel Fusion и американский Университет штата Колорадо (CSU) объявили о частно-государственном партнёрстве для строительства на территории кампуса CSU Foothills исследовательского комплекса стоимостью $150 млн по созданию мощных лазеров для термоядерного синтеза. Работы на установке NIF в Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса доказали осуществимость и перспективность таких реакций и стали примером для подражания.

Источник изображения: Pixabay

Компания Marvel Fusion создана в Мюнхене в 2019 году. Она вобрала в себя ряд лучших европейских специалистов по вопросам термоядерного синтеза. В Европейском союзе в рамках проекта Extreme Light Infrastructure (ELI) давно создаётся и эксплуатируется сеть лабораторий с мощными лазерами, поэтому недостатка в опытных научных сотрудниках нет. Компания Marvel Fusion обещает предоставить американским партнёрам весь свой опыт в сфере лазерного зажигания термоядерных реакций, и дальше будет развивать эту тему вместе с ними.

Университет штата Колорадо тоже может похвастаться высоким научным потенциалом и опытом исследований в сфере лазерных технологий. Новый комплекс планируется создать рядом с лабораторией Advanced Beam Laboratory, построенной в 2013 году на территории кампуса. В новом комплексе зданий будет создано не меньше трёх лазеров мощностью до нескольких петаватт каждый с частотой зажигания десять раз в секунду. Технология Marvel Fusion предполагает, что для создания непрерывной и самоподдерживающейся термоядерной реакции в зону для мишени топливо будет подаваться с заданной периодичностью в виде таблеток. Это позволит гибко управлять рабочей мощностью термоядерного реактора на основе лазерного зажигания.

Университет и компания Marvel Fusion также принимают участие в ряде проектов по американской программе LaserNetUS, которую, со своей стороны, бюджетными средствами поддерживает Министерство энергетики США. Это позволяет партнёрам рассчитывать также на государственную помощь в их работе. Термоядерная энергия обещает бесконечную и чистую энергию и чем больше путей и первопроходцев движутся к этой цели, тем скорее будет результат.

Учёные из Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса (LLNL) сообщили, что на установке National Ignition Facility (NIF) повторно получена реакция термоядерного синтеза, которая произвела больше энергии, чем было затрачено на её запуск. Более того, планка высвобождаемой при этом энергии ощутимо превысила предыдущий рекорд при той же мощности лазеров и достигла 3,5 МДж. Это доказывает, что наука на правильном пути к неограниченной и чистой энергии.

Колоризация дейтерий-тритиевой реакции на установке NIF. Источник изображения: Don Jedlovi/US National Ignition Facility

Интересно отметить, что установка NIF, которая представляет собой 192 мощных лазера, сведённых в одну точку, создавалась для моделирования термоядерных взрывов. Моделированием термоядерного синтеза учёные занимались на установке в качестве условной подработки. Долгие годы такой путь считался малоперспективным и тот же проект ИТЭР, как мы знаем, опирается на проверенные временем «бублики» токамаков. Но летом 2021 года на NIF впервые наметился прорыв. Учёные смогли приблизиться к тому пределу, после которого термоядерная реакция, зажжённая лазерами, могла бы поддерживать сама себя. Точнее, выходная энергия превзошла бы затраты энергии на зажигание водородного топлива.

Первое доказательство концепции положительного термоядерного синтеза с лазерным зажиганием было получено в декабре 2022 года. При суммарной мощности лазеров на уровне чуть больше 2 МДж водородное топливо выделило 3,15 МДж. Лазерный термояд оказался рабочим! Впрочем, на работу лазеров и поддержку процесса было затрачено на пару порядков больше энергии, на фоне затрат которой обнаруженный излишек в 1,13 МДж грубо можно сравнить с погрешностью измерений.

Визуализация облучения топлива лазерными лучами, которые преобразуются в рентгеновские для запуска синтеза

Успех вдохновил учёных и установка, а также условия эксперимента были улучшены. Новый запуск термоядерной реакции с тем же уровнем энергии лазеров или близким к нему привёл к высвобождению термоядерной энергии на уровне 3,5 МДж. В относительном сравнении прирост можно считать огромным, и это ещё сильнее убеждает учёных, что перспективы у лазерного термояда есть и к ним нужно стремиться.

О новом достижении учёные сообщат на профильных конференциях и подготовят статьи в научные журналы, которые выйдут через несколько месяцев после тщательной подготовки.

Излучение Вавилова—Черенкова постоянно сопутствует работе обычных ядерных реакторов. Проявляется оно в виде свечения охлаждающей реакторы жидкости (воды), когда энергия деления разгоняет электроны до околосветовой скорости и они создают в воде ударные явления. Американская компания SHINE Technologies стала первой, кто увидел черенковское свечение невооружённым глазом в процессе термоядерной реакции — в ходе синтеза, а не распада вещества.

Слева изображение черенковского излучения в процессе термоядерной реакции, справа — при работе обычного ядерного реактора. Источник изображения: SHINE

Работа компании стала новым доказательством концепции, что управляемый термоядерный синтез возможен в земных условиях. Ранее признаки термоядерных реакций слияния регистрировались исключительно приборами. Увидеть в процессе синтеза черенковское излучение — значит воочию убедиться в прохождении ядерных реакций.

Компания SHINE создаёт установку FLARE (Fusion Linear Accelerator for Radiation Effects), с помощью которой в процессе термоядерного синтеза дейтерия и трития намерена производить изотопы. Мишень с материалами погружается в воду, после чего запускается реакция. По словам специалистов компании, в случае термоядерного синтеза быстрые заряженные частицы образуются, когда водород поглощает нейтрон и испускает гамма-излучение высокой энергии, которое затем ударяет в электрон, разгоняя его до скорости, близкой к скорости света.

«Эффект черенковского излучения, созданный здесь, был достаточно ярким, чтобы быть видимым, что означает, что происходит очень много слияний — около 50 трлн слияний в секунду. При миллиарде слияний в секунду можно было бы измерить черенковское излучение, но не получить видимое, — сказал профессор Джеральд Кульчински, ведущий специалист по ядерным и термоядерным технологиям Университета Висконсин-Мэдисон. — Эти результаты являются мощным свидетельством происходящих ядерных процессов и еще одним доказательством того, что термоядерный синтез тоже может производить нейтроны наравне с некоторыми реакторами».

Предприятие Госкорпорации «Росатом» — АО «НИКИЭТ» — изготовило первую серийную партию высокотехнологичных компонентов для международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), строящегося на юге Франции. На базе компонентов российского производства будут изготовлены самые теплонагруженные передние стенки бланкета реактора — первой линии защиты реактора и внутрикамерного оборудования от контакта с плазмой.

Несущая конструкция панелей первой стенки бланкета ИТЭР. Источник изображения: АО «НИКИЭТ»

Россия должна изготовить 40 % передних стенок бланкета — это 179 изделий. Со стороны плазмы они покрыты бериллием, а под его защитой будет железоводный блок охлаждения с невероятной производительностью — до 100 кг теплоносителя в секунду. Передние стенки бланкета изготавливают АО «НИКИЭТ» и АО «НИИЭФА». Каждая такая стенка должна выдерживать нагрузку до 4,7 МВт на м². Это сменная деталь реактора, которая будет заменяться по мере износа, что продлит эксплуатацию реакторной камеры до 25 лет или дольше вместо 5 лет, если бы эти модули были несъёмными. Заменять блоки бланкета будет роботизированная система.

Основу передней стенки бланкета составляет несущая конструкция панелей первой стенки (НКПС) бланкета. АО «НИКИЭТ» сообщило об изготовлении первых серийных изделий НКПС. Всего до конца года будет изготовлено 20 таких компонентов. На базе НКПС собирается передняя стенка из защитных панелей, тепловых экранов и системы протока теплоносителя. Эти элементы будут испытывать в термоядерном реакторе колоссальные нагрузки по целому ряду воздействий — от радиационных до химических и тепловых, что требует высочайшей точности изготовления и соблюдения чистоты материалов.

«НИКИЭТ обладает значительными компетенциями и является одним из ключевых производителей компонентов для ИТЭР. Серийное производство изделий осуществляется на собственных производственных участках с применением высокотехнологичного оборудования, что гарантирует их высокое качество и соответствие всем установленным международным стандартам. До конца текущего года планируется завершить первый этап производства компонентов для 20 НКПС», — отметил заместитель главного конструктора по ядерно-физическим системам ИТЭР, начальник отдела разработки бланкетов и систем преобразования энергии для термоядерных реакторов АО «НИКИЭТ» Максим Николаевич Свириденко.

Передняя стенка бланкета, блок охлаждения и модуль бланкета в сборе, а также схема размещения модулей бланкета в реакторе

Разработка, изготовление и отправка уникального отечественного оборудования осуществляется в строгом соответствии с графиком сооружения экспериментального термоядерного реактора. Основной вклад Российской Федерации заключается в разработке, изготовлении и поставке 25 систем будущей установки. Но в какие сроки будет получена первая плазма в реакторе, сегодня можно только догадываться. Вместо продолжения сборки реактора его начали разбирать и ремонтировать.

Британская компания Pulsar Fusion сообщила, что запустит крупнейший, а по совместительству и первый в истории человечества термоядерный ракетный двигатель в 2027 году. Это будет 8-метровый привод прямого синтеза (DFD), который будет выбрасывать из ракетных дюз непосредственно продукты реакции и этим двигать ракету. Это позволит ракете разгоняться до скорости свыше 800 тыс. км/ч, что, например, сократит полёт к Сатурну с восьми до двух лет.

Источник изображений: Pulsar Fusion

Смелое заявление руководства Pulsar Fusion базируется на уверенности, что их совместная работа с американской компанией Princeton Satellite Systems принесёт плоды скорее раньше, чем позже. Для этого партнёры привлекут к разработкам термоядерного двигателя искусственный интеллект. В целом концепция двигателя разработана в Принстонской лаборатории физики плазмы и передана в компанию Princeton Satellite Systems для отработки на прототипах. Два прототипа уже созданы, и готовится основа для создания ещё двух, после чего можно будет приступать к изготовлению лётного экземпляра.

Исследователям предстоит ещё много научной работы, чтобы подойти к изготовлению рабочего термоядерного двигателя. Облегчит задачу то, что ракетные двигатели на термоядерном топливе будут работать в космосе в условиях вакуума, а это позволит хорошо сэкономить на средствах для изолирования плазмы в рабочем объёме камеры сгорания.

«Сложность заключается в том, чтобы научиться удерживать и ограничивать сверхгорячую плазму внутри электромагнитного поля, — сказал Джеймс Ламберт (James Lambert), финансовый директор компании Pulsar Fusion. — Поведение плазмы сродни поведению погоды, поскольку поведение последней также невероятно трудно предсказать с помощью обычных методов». Собственно, для этой части работы партнёры будут задействовать алгоритмы машинного обучения (ИИ).

В компании Pulsar Fusion абсолютно уверены в том, что они справятся с задачей. В противном случае человечеству нечего мечтать о путешествиях в космосе.

«Если же мы сможем, а мы сможем, то термоядерные двигатели станут совершенно неизбежными. Это необходимо для эволюции человечества в космосе, — сказал глава Pulsar Fusion Ричард Динан (Richard Dinan). — Если мы не сможем, то всё это не имеет никакого значения».

На строящемся термоядерном реакторе ИТЭР на юге Франции начались ремонтные работы. На самом первом этапе сборки активной зоны реактора обнаружились дефекты производства компонентов и дефекты сборки — сектора изготовлены с нарушением габаритов, а система охлаждения пошла трещинами. Ремонт на годы отложит запуск реактора, и новой даты получения первой плазмы пока не названо.

Извлечение для ремонта сектора вакуумной камеры реактора. Источник изображения: ИТЭР

Активная зона реактора, по которой будет циркулировать 840 м³ плазмы, изготавливается в виде девяти одинаковых клиновидных секторов, каждый из которых весит 440 т и имеет высоту около 14 м. Каждый из секторов последовательно опускается в шахту реактора, и там происходит их сварка. Сварочные работы проводит робот. Первый сектор опустили в шахту в мае 2022 года. После спуска второго сектора выяснилось, что секции не совпадают по краям и робот не может наложить шов.

Проведение метрологической экспертизы выявило отклонения в размерах на других секторах. Это означало, что края секций необходимо в одних случаях подпиливать, а в других наращивать. С учётом габаритов каждой секции наращивать и спиливать необходимо будет сотни килограммов металла. Часть секций произведено в ЕС, а часть — в Южной Корее. Проблемы выявлены везде.

Проблему усугубляло то, что на каждый сектор в шахте установлены магниты тороидального поля, тепловые экраны и другое «железо», что увеличивает вес каждого модуля, который опускается в шахту, до 1200 т. Перед инженерами проекта стояла задача извлечь всё это из шахты без разборки, и эта процедура не была предусмотрена планом. Соответственно, не было никакой документации и регламента работ. Первый сектор извлекали четыре дня, и эта операция проведена успешно. Теперь его отвезли в сборочный цех для окончательного демонтажа навесных компонентов и ремонта.

Также предстоит ремонт тепловых экранов. Контроль выявил трещины в трубах охлаждения, которые появились вследствие коррозии после проведения сварочных работ (часть которых проводили сварщики без должной квалификации, как выяснилось). Необходимо в общей сложности заменить свыше 20 км труб охлаждения. Эти работы также невозможно было вести в шахте, и ремонтом будут заниматься после демонтажа экранов.

Совет ИТЭР должен был дать оценку происходящему весной этого года, чтобы установить новую дату получения первой плазмы. Очевидно, что ранее установленный срок — 2025 год, который и так неоднократно переносился, уже не подходит. Но совет уклонился от принятия ответственного решения и пообещал установить новую дату запуска реактора весной следующего года.

Реактор проекта ИТЭР не будет производить электрическую энергию. Это лишь доказательство концепции возможности запустить управляемую термоядерную реакцию с получением избытка энергии. Реактор должен в течение не менее 400 секунд вырабатывать 500 МВт энергии при затратах на запуск 50 МВт (в реальности потребуется ещё до 300 МВт на поддержку работы вспомогательных систем). Реактор ИТЭР утыкан датчиками, как ёжик иголками. В этом его основная задача — дать науке полное представление о возможностях практической реализации термоядерной реакции на уровне полномасштабных термоядерных электростанций.

Британская компания Pulsar Fusion заключила партнёрское соглашение с американской компанией Princeton Satellite Systems с целью создания термоядерного ракетного двигателя и ракеты, способной долететь до Марса за 30 дней. Главным инструментом в работе станет искусственный интеллект, который будет изучать физику плазмы в двигателе и помогать оптимизировать его конструкцию.

Источник изображений: Pulsar Fusion

Британская Pulsar Fusion известна своей тягой к «зелёным» технологиям — она разрабатывает ракетный двигатель на горючем из отходов пластика. Но второй целью для себя компания поставила создание термоядерного ракетного двигателя. В общем, это тоже «зелёное» направление в ракетостроении и, в целом, в энергетике. Однако вместе с Princeton Satellite Systems британцы будут заниматься совершенствованием американских разработок, а не своих собственных. В частности, они будут анализировать физику плазмы в установке Princeton field-reversed configuration версии 2 (PFRC-2).

Установка PFRC предложена в начале нулевых годов в Принстонской лаборатории физики плазмы. Она реализует идею обращённой магнитной конфигурации. Термоядерная плазма высокого давления удерживается внутри двигателя с помощью магнитной ловушки, а холодное топливо в виде той же плазмы (ионов и электронов) обтекает горячее ядро и напитывается его энергией, после чего вырывается с огромной скоростью через электромагнитные дюзы.

Компания Princeton Satellite Systems за 20 лет освоила ряд государственных грантов, включая финансирование NASA. В перспективе намечено создание установок PFRC-3 и PFRC-4 к 2025 году. Последняя должна получить реакцию синтеза, после чего будет запущен процесс создания лётного прототипа. Судя по всему, они будут создаваться по материалам совместных исследований с Pulsar Fusion.

«Мы считаем, что термоядерные двигатели будут продемонстрированы в космосе за десятилетия до того, как мы сможем использовать термоядерный синтез для получения энергии на Земле», — уверен основатель и генеральный директор компании Pulsar Fusion Ричард Динан (Richard Dinan).

Разрабатываемый компаниями термоядерный двигатель размерами с микроавтобус сможет разгонять 10-т космический корабль до 500 тыс. миль в час или 223,5 км/с. С такой скоростью до Марса можно было добраться примерно за трое суток, во время его максимального сближения с Землёй, или до Титана (спутник Сатурна) за два месяца. Однако это максимальная скорость, и к тому же нужно время на разгон и торможение.

Термоядерная установка также сможет генерировать электричество для бортовых систем, а рабочее топливо можно брать в космосе из пыли, газа и едва ли не любого вещества. Для запуска и поддержания термоядерной реакции в двигателе понадобятся небольшие объёмы гелия-3 и дейтерия, которые не займут много места.

Ассоциация термоядерной промышленности (FIA) опубликовала отчёт о состоянии дел в цепочке поставок для сферы термоядерного производства энергии. В последующие годы рынок оборудования в этой области обещает вырасти в десятки и сотни раз. В то же время опрос показал, что подавляющее большинство поставщиков в цепочке поставок не хотят вкладывать личные средства в расширение производства и ждут твёрдых гарантий для своей деятельности.

Визуализация компактной термоядерной установки ST80-HTS. Источник изображения: Tokamak Energy

В опросе приняли участие 26 частных компаний, разрабатывающих термоядерные реакторы и сопутствующее оборудование, а также 34 компании, занятые в производстве компонентов для термоядерных установок. Все они являются членами Ассоциации термоядерной промышленности. Анализ ответов показал, что в 2022 году расходы энергетиков на цепочки поставок достигли $500 млн. К моменту запуска первых термоядерных электростанций стоимость цепочек поставок вырастет до $7 млрд и выйдет за границы триллионов долларов США после полномасштабного запуска термоядерной энергетики.

В то же время подобная динамика и умопомрачительные цифры будущих доходов не смогли заставить поставщиков немедленно начать расширять производственные мощности. Если отрасль должна встретиться с бурным ростом, очевидно, к этому сначала должны подготовиться поставщики, чего пока не наблюдается. В FIA отмечают, что компаниям-поставщикам нужны твёрдые гарантии для получения в будущем доходов, для чего необходимо предпринять ряд шагов как в частном секторе, так и в государственном.

Примерно 70 % опрошенных среди «термоядерных» разработчиков показали, что их поставщики без наличия постоянных заказов отказываются делать инвестиции в расширение производства. При этом более половины из них подтвердили, что для достижения будущего прогресса вложения необходимы уже сегодня.

«Прогнозируемый рост термоядерной промышленности создает огромные возможности для бизнеса нынешних и новых поставщиков, — сказал генеральный директор FIA Эндрю Холланд (Andrew Holland). — Очевидно, что необходима большая долгосрочная определенность — через сочетание финансирования, регулирования, механизмов разделения рисков и более активного общения, чтобы поставщики были готовы к расширению масштабов, опережая потребности отрасли».

Уникальной особенностью цепочки поставок компонентов для термоядерных установок Ассоциация считает независимость от закупок редких минералов и металлов, большинство из которых добываются в зонах постоянных военных конфликтов. Термоядерные компоненты требуют высокоорганизованного производства, которое можно найти только в обществах с открытой экономикой. При этом некоторая обеспокоенность геополитическими рисками остаётся, и участники цепочек поставок это отмечают.

Для повышения активности поставщиков, отмечается в докладе, необходимо принять ряд мер. В частности, необходимо увеличить как государственные, так и частные инвестиции в отрасль. Для этого, например, необходимо экспериментировать с финансированием на основе разделения рисков, чтобы дать поставщикам возможность инвестировать в новые мощности, к примеру, через «термоядерных» инвесторов, вкладывающих средства в ключевых поставщиков.

Также необходимо создать сетевые сообщества и проводить ежегодное мероприятие для поставщиков, чтобы способствовать коммуникации и осведомленности между термоядерными компаниями и поставщиками. Наконец, необходимо внедрение стандартизации и регулирования для обеспечения большей определенности в цепочке поставок и уверенности в долгосрочных инвестициях.

Всё это замечательно, но где они будут брать сварщиков? Рабочие специальности в цепочках поставок не появятся, их надо готовить отдельно и сильно заранее.

На днях французские и европейские СМИ сообщили, что на проекте термоядерного реактора ИТЭР часть сварных работ проводили сварщики с поддельными сертификатами. Выявлено и уволено 13 рабочих, чья квалификация не нашла официального подтверждения. В то же время у руководства ИТЭР к сделанной им работе нет замечаний, хотя в свете вскрывшегося подлога её всё равно придётся инспектировать заново.

Рубашка контура охлаждения рабочей камеры реактора, в трубах которой обнаружены трещины. Источник изображения: ITER

Проблема отсутствия специалистов с необходимой квалификацией — это проблема не только ИТЭР (ITER), но также всех работ, связанных с проведением сложных строительно-монтажных операций во Франции и, возможно, в ЕС. Например, на атомных электростанциях EDF во Франции участились случаи ремонта сварных швов, что говорит о наличии скрытых дефектов в изначально проделанных швах. Квалифицированных специалистов становится меньше и вакансии приходится замещать людьми с сомнительными документами и неподтверждённым опытом работы.

С другой стороны, многие рабочие операции по сборке термоядерного реактора и сопутствующего оборудования проводятся впервые, и сертификация может просто не успевать за этим процессом. Часть ответственных работ, кстати, проводится роботами-сварщиками, например, роботизированная установка сваривает сегменты рабочей камеры реактора, по которой будет циркулировать разогретая до 150 млн °C плазма. В этом есть плюс, но и минус тоже. Выяснилось, что все девять сегментов рабочей камеры выполнены с превышением допустимых пределов и робот не может её сварить.

Наконец, хотя все уличённые в подделке сертификатов сварщики были уволены, а с подрядчиком разорвали контракт, работники могут задним числом подтвердить свою квалификацию. Ранее в Гааге уже был прецедент, когда три сварщика получили сертификаты после того, как были уволены с работы, для которой они формально не были квалифицированны.

Заметим, у проекта ИТЭР есть более серьёзные проблемы, чем сварщики без сертификата. Это несоответствие секторов рабочей камеры требуемым размерам, что придётся устранять спилами в одних местах и наращиванием металла в других, а это сотни килограмм металла, а также выявленные трещины в контуре охлаждения (вот тут сварщики без диплома могли натворить дел), что может потребовать заменить экран и десятки километров труб охлаждения. Всё это на годы отодвинет получение первой плазмы на ИТЭР, которую все ждали в 2025 году.

Добавим, руководство ИТЭР ещё в марте само проинформировало надзорную организацию Nuclear Safety Authority (ASN) Франции о проблеме со сварщиками. ASN посоветовала больше так не делать.

Международная группа учёных сообщила о рекордном достижении для так называемых сферических токамаков (spherical tokamak, ST). На установке ST40 британской компании Tokamak Energy с рабочей камерой размером около 80 см в поперечнике был поставлен рекорд по разогреву ионов в плазме. Достигнута температура в 100 млн °C — это абсолютный максимум для сферических токамаков и критический порог для запуска реакции термоядерного синтеза.

Из истории создания установки ST40. Источник изображения: Tokamak Energy

Кроме сотрудников Tokamak Energy в работе приняли участие исследователи из Принстонской и Ок-Риджской национальных лабораторий в США и Института исследований энергетики и климата из Германии. О результатах расказано в журнале Nuclear Fusion.

Сферические токамаки выгодно отличаются от обычных токамаков-пончиков своей формой, которая делает их более компактными. Плазма в сферических токамаках удерживается ближе к сердцевине рабочей камеры. Это усложняет конфигурацию удерживающих плазму магнитов (электромагнитного поля), но зато снижает габариты термоядерных реакторов. Меньшие размеры положительно сказываются на стоимости установок и скорости их окупаемости.

В прошлом году компания Tokamak Energy сообщала о достижении температуры плазмы 100 млн °C, но без уточнения, какой именно. Дело в том, что при нагреве до таких величин электроны срываются со своих орбит вокруг атомов и плазма представляет собой потоки более горячих электронов (они банально легче и нагреваются до более высоких температур) и ионов, нагретых до меньших температур. Но до целевой температуры нам надо нагреть именно ионы, иначе они не начнут сближаться до начала сильного взаимодействия между ними, и реакции синтеза не произойдёт. В опубликованной работе учёные показали, что они добились этого именно для ионов рабочего вещества.

Визуализация установки ST80-HTS. Источник изображения: Tokamak Energy

На опытной установке поддержка температуры ионов на уровне 100 млн °C или 8,6 килоэлектронвольт (КэВ), если говорить о её энергетическом выражении, продолжалась всего 150 мс. Достигнуто это за счёт множественных оптимизаций в работе установки. Большего возможности сферического токамака ST40 просто не позволяют (что вы хотите от компактной установки?). Для достижения более высоких температур ионов в плазме и более длительного удержания её на максимальных отметках будет построена новая установка — ST80-HTS. Начало строительства ожидается в 2024 году, и это станет новой страницей в истории продвижения к безопасной, чистой и неисчерпаемой энергии.

Microsoft заключила соглашение с компанией Helion Energy, которая обязалась построить для софтверного гиганта первый в мире коммерческий термоядерный реактор. Управляемый термоядерный синтез долгое время считался Святым Граалем энергетики — потенциально безграничным экологически чистым источником энергии, который учёные пытались построить не одно десятилетие.

Trenta — один из прототипов реактора Helion. Источник изображения: helionenergy.com

Helion Energy считает, что сможет построить термоядерный реактор для Microsoft к 2028 году — он должен будет вырабатывать не менее 50 МВт электричества. Задача крайне сложная. Даже самые оптимистичные оценки учёных по поводу создания термоядерных электростанций варьируются от конца текущего десятилетия до нескольких десятилетий вперёд. Успех компании будет зависеть от возможности совершить технологический прорыв за невероятно короткий промежуток времени, а затем вывести технологию на рынок и сделать её конкурентоспособной по стоимости в сравнении с другими источниками энергии. Но Helion это не смущает, как и предусмотренные соглашением финансовые санкции в случае неудачи.

Термоядерный синтез фактически повторяет то, как в звёздах образуются свет и тепло. В случае с Солнцем это формирование атомов гелия из водорода и выделение больших объёмов энергии. С пятидесятых годов прошлого века учёные пытаются воспроизвести этот процесс контролируемым образом — масштабно получалось только неконтролируемым, например, в случае с водородной бомбой. Эта технология противоположна атомным электростанциям, на которых энергия высвобождается путём деления или расщепления атомов. Главным недостатком расщепления являются остающиеся после него нестабильные ядра — радиоактивные отходы. В случае с термоядерным синтезом они не образуются, поскольку при реакции, по сути, просто появляются новые атомы гелия.

Источник изображения: efes / pixabay.com

Сегодня управляемый термоядерный синтез пытаются воспроизвести, обстреливая вещество мощными лазерными лучами или удерживая магнитными полями плазму в машине, называемой токамаком. Helion решила пойти своим путём, построив 12-метровый плазменный ускоритель, в котором топливо будет разогреваться до 100 млн °C. Изотоп водорода дейтерий и гелий-3 будут нагреваться до плазменного состояния и сжиматься магнитными полями до тех пор, пока не запустится реакция синтеза. Компания утверждает, что при этом будет выделяться больше энергии, чем расходоваться — до недавнего времени учёным это не удавалось, и лишь в минувшем декабре прорыва удалось достичь исследователям Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса (LLNL). Helion только предстоит достичь этого этапа.

Ещё одним потенциальным препятствием является необходимость получить достаточное количество гелия-3 в качестве топлива, хотя в компании утверждают, что у них есть запатентованная технология получения этого редкого изотопа из атомов дейтерия. Наконец, полученная в термоядерном реакторе электроэнергия должна быть доступной, сравнимой по цене с производимой на традиционных электростанциях. Helion не уточнила, какую цену согласовала в контракте с Microsoft, но в конечном итоге компания собирается выйти на $0,01 за 1 кВт·ч.

В апреле с опережением графика на полигоне в московском Троицке начата выемка грунта под будущий комплекс для ряда перспективных термоядерных проектов и не только. Завершение строительства ожидается в 2024 году. После этого последует установка оборудования. Изюминкой комплекса станет токамак с реакторными технологиями (ТРТ) который станет мощным источником нейтронов и прототипом масштабной энергетической установки нового поколения.

Источник изображения: ГНЦ РФ ТРИНИТИ

Расчистка территории под комплекс и строительство дорог и другой инфраструктуры стартовали в марте прошлого года. Непосредственно строительные работы и первая выемка грунта начались в апреле этого года. Технический старт строительству дало второе заседание координационного совета участников строительства инфраструктурных объектов, которые возводятся в рамках федерального проекта по термоядерным и плазменным технологиям комплексной программы развития атомной науки, техники и технологий (КП РТТН). Собрание прошло в Троицке в начале прошлого месяца.

Модель прототипа модифицированного токамака с сильным полем (ТРТ). Источник изображения: Наука и инновации

Будущий комплекс будет востребован для испытаний элементов термоядерных реакторов и плазменных ракетных двигателей. Помимо этого он также может быть задействован при производстве ряда изотопов для ядерной медицины, особенно короткоживущих.

К 2030 году в составе комплекса начнёт работать Токамак с реакторными технологиями (ТРТ). Это будет площадка для испытаний перспективных термоядерных технологий, включая выработку трития, проработку бланкетных технологий, методов дополнительного нагрева плазмы, разработку новых диагностик и, в целом, исследование поведения плазмы в близких к зажиганию квазистационарных режимах.

Китайские источники сообщают, что экспериментальный китайский термоядерный реактор Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST, токамак HT-7U), расположенный в городе Хэфэй провинции Аньхой, установил новый мировой рекорд по длительности поддержания высокотемпературной плазмы. В одном цикле реактор работал непрерывно 403 с, побив свой предыдущий рекорд в 101 с.

Experimental Advanced Superconducting Tokamak снаружи. Источник изображения: SCMP

К сожалению, это вся официальная информация, которая есть о данном событии. Источники не раскрывают, в каком режиме работал реактор и до какой температуры была разогрета плазма и, что важно, о какой плазме идёт речь — об электронной или ионной, что тоже принципиально.

Если взять за основу сравнение с предыдущим экспериментом, то речь может идти о разогреве в плазме электронов до температуры 120 млн °C. Для запуска термоядерной реакции синтеза в реакторе необходимо разогреть в плазме не электроны, а ионы — до температуры свыше 100 млн °C, а они тяжелее электронов и на их разогрев требуется едва ли не в два раза больше энергии. Поэтому до появления новой информации будем считать, что EAST установил рекорд по удержанию в течение 403 секунд плазмы с температурой электронов в жгуте на уровне 120 млн °C.

Ранее EAST также смог удивить экспериментом с удержанием разогретой до 70 млн °C электронной плазмы в течение 17 мин и 36 с (1056 с). Также он смог удержать 20 с разогретую до 160 млн °C электронную плазму. Рекорд по разогреву ионной плазмы пока принадлежит Южной Корее (реактору KSTAR), который 30 с удерживал в жгуте плазмы ионы, разогретые до 100 млн °C.

Что важно, хотя китайцы не запустили у себя такой масштабный проект термоядерного реактора, как ИТЭР (хотя они участвуют в нём), у них уже в целом готов проект 2-ГВт термоядерной электростанции CFETR (China Fusion Engineering Test Reactor). Электростанция CFETR должна начать работу в 2035 году или около того, в то время как аналогичный европейский проект DEMO едва-едва приблизится к завершению проектирования. Тем самым Китай собирается первым в мире поставить себе на службу «искусственное солнце», что очень и очень амбициозно.

Вчера во время празднования 80-летнего юбилея Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» глава учреждения Михаил Ковальчук сообщил, что модернизированный термоядерный реактор Т-15МД получил первую плазму. Установка поможет в исследованиях по множеству проектов от поддержки ИТЭР до создания источника нейтронов, и подтолкнёт в развитии как отечественную науку, так и партнёрские проекты за рубежом.

Источник изображения: РИА Новости/Дмитрий Астахов

«Получена устойчиво плазма, миллионы градусов. Он [токамак] с первого момента запустился. Сложнейшая дорогостоящая установка запустилась сразу и сейчас работает, набирает мощность и выходит на мировые параметры. <...> Устойчиво работает», — сказал Ковальчук, которого цитирует агентство ТАСС.

Токамак Т-15МД — термоядерный реактор для проведения реакций ядерного синтеза в форме тора (пончика или бублика) с магнитным удержанием плазмы — стал продолжением развития проектов токамаков в Курчатовском институте. Он построен на базе проекта установки Т-15, запущенной в институте в конце 80-х годов прошлого века, и стал первым в стране за последние 20 лет. Утверждается, что по совокупности характеристик аналогов этой установке в мире нет. В частности, Т-15МД сочетает компактность и высокую мощность.

Фактический запуск установки без получения плазмы состоялся в мае 2021 года в присутствии премьер-министра РФ Михаила Мишустина. Термоядерная энергия представляется как едва ли не бесконечный источник чистой и безопасной энергии. Для её получения нужны изотопы водорода, которых на Земле буквально океаны.

Учёные из Института физики плазмы им. Макса Планка (IPP) в процессе работы на токамаке ASDEX Upgrade в Гархинге (недалеко от Мюнхена) сделали открытие, которое может привести к созданию как более компактных термоядерных реакторов, так и повысить мощность реакторов без увеличения размеров сосуда для плазмы. В серии экспериментов они показали, что плазменный жгут можно почти вплотную приблизить к стенкам камеры без риска их повреждения.

X-point испускает УФ-свет и видимый синий свет. Красная дуга — край плазменного жгута. Источник изображения: MPI für Plasma Physics

Как известно, плазма внутри рабочей камеры термоядерного реактора типа токамак — вакуумного сосуда в виде пончика — удерживается вдали от стенок сильным магнитным полем. Если плазменный жгут коснётся стенки сосуда, он её легко повредит. В современных проектах реакторов токамаков, как и в случае проекта ИТЭР, жгут плазмы температурой свыше 100 млн °C удерживается сравнительно далеко от стенок. В случае реактора ASDEX Upgrade, например, который некоторым образом служит прообразом ИТЭР, от края плазмы до дивертора всегда было не менее 25 см. Теперь учёные показали, что это расстояние можно уменьшить до менее чем 5 см.

Добавившийся объём в сосуде можно заполнить плазмой и повысить мощность реактора, а можно сделать сосуд меньшего размера и в итоге спроектировать термоядерную электростанцию меньшего размера без потери мощности. Кроме того, конструкция дивертора — который будет служить для съёма полезной мощности и для синтеза в будущем изотопов гелия-4 — станет проще. Сегодня диверторы защищаются вольфрамовыми плитками, и в будущем от этого можно будет уйти.

Суть сделанного открытия в том, что обнаружился эффект повышенного преобразования тепла от границ плазменного жгута в излучение в ультрафиолетовом диапазоне. Если открытие будет подтверждено, появится возможность создавать условия для более точного управления краями плазмы, включая повышенное преобразование тепла в УФ-излучение — это так называемый излучатель точки X (сокращенно XPR), который кроме УФ-излучения испускает также видимый свет в синем спектре.

Эффект возникает, когда в плазму специально добавляют немного примеси (часто это может быть азот). Эффект является управляемым и может стать средством для контроля падающей на дивертор мощности. Диверторы ИТЭР, которые, кстати, изготавливаются в России, смогут выдерживать не более 10 МВт/м². Без магнитного экранирования до стенок дивертора дошло бы до 20 % мощности плазмы или до 200 МВт/м². Управляемая добавка примесей в плазму наряду с магнитной клеткой удерживает стенки дивертора от перегрева и разрушения.

Кассета дивертора и её расположение в реакторе. Источник изображения: ИТЭР

«Излучатель точки X возникает в магнитных клетках особой формы, когда количество добавленного азота превышает определенное значение, — рассказал один из авторов исследования. — Такие примеси дают нам несколько худшие свойства плазмы, но если мы установим излучатель точки X в фиксированное положение, изменяя подачу азота, мы сможем проводить эксперименты на более высокой мощности, не повреждая устройство/дивертор».

Явление было обнаружено около 10 лет назад на реакторе ASDEX Upgrade, но оно всё ещё требует серьёзного научного обоснования и экспериментов, как и привлекает перспективами.