На днях в интервью Agence France-Presse генеральный директор проекта ИТЭР Пьетро Барабаски сообщил, что на фоне выявленных в процессе строительства объекта проблем планируемый запуск термоядерного реактора будет отложен на месяцы и даже годы. Это означает, что 2025 год перестаёт быть датой получения первой плазмы в реакторе, хотя дейтерий-тритиевая реакция всё ещё ожидается в районе 2035 года.

Внешняя сторона вакуумной камеры активной зоны реактора с тепловым экраном. Источник изображений: ITER

Как мы сообщали ещё в ноябре, представители ИТЭР озвучили две серьёзные проблемы, выявленные на объекте. Во-первых, сектора вакуумной камеры, в которой будет циркулировать раскалённая до более 150 млн °C плазма, оказались с отклонениями по размерам, что делает невозможным качественную сварку корпуса камеры. Таких секторов девять: пять из них создаются в ЕС, а четыре в Южной Корее. Все сектора изготовлены или работы близки к завершению, что исключает возможность внести в проект нужные изменения.

Камера в сборе представляет собой объект с внешним диаметром 19,4 м высотой 11,4 м и весом 5200 т. Сектора по одному опускаются в шахту реактора и по очереди привариваются друг к другу. Сварочные работы осуществляет робот и поэтому отклонение в геометрии поставило автоматику в тупик. Как это исправлять пока непонятно.

Вторая проблема — это коррозия и последовавшие за этим трещины в трубках теплового экрана камеры. Предполагается, что экраны придётся изготавливать заново. Более того, замену экранов в шахте произвести, скорее всего, не удастся, и уже опущенные в шахту секции камеры придётся поднимать наверх для ремонта.

Выявленная рентгеновской установкой трещина в трубопроводе системы охлаждения

Все эти работы на месяцы и даже годы отодвинут первый рабочий запуск реактора. Ранее глава ИТЭР не был столь категоричен в выводах. Также эти проблемы снова увеличат бюджет проекта, который и так вырос в четыре раза по отношению к первоначальной сумме 5 млрд евро. На чём-то придётся экономить. Предложения по этому вопросу будут готовы после детального анализа ситуации, что произойдёт ближе к концу текущего года.

Российские участники проекта ИТЭР настроены не так пессимистично. В интервью агентству РИА Новости директор Частного учреждения «ИТЭР-Центр» (Госкорпорация «Росатом») Анатолий Красильников сказал, что программу научных исследований можно будет уплотнить, и даже если первый запуск реактора состоится позже 2025 года, главная цель проекта — запуск дейтерий-тритиевой реакции — всё ещё ожидается в планируемые ранее сроки, а это середина 30-х годов.

«Это нормально для столь крупного и уникального объекта. Технические трудности возникали и раньше, — указывает он. — Причина возможного переноса, о котором говорит гендиректор ИТЭР, прежде всего не в критических дефектах конструкции, а в том, что ученые хотят расширить научную программу. Значит, подготовка к испытательному запуску займет больше времени. Фактически первой плазмой будет не то, что под этим подразумевали».

В любом случае, решение будет принимать Совет ИТЭР. Ближайшее заседание ожидается весной. Россия продолжает принимать участие в проекте и в этом плане санкции её не затрагивают.

Американские учёные из Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса (LLNL) действительно смогли достичь термоядерного воспламенения — самоподдерживающейся реакции термоядерного синтеза, в ходе которой на выходе получается больше энергии, чем было потрачено на её запуск. Об этом сегодня официально сообщили Министерство энергетики США и Национальное управление по ядерной безопасности (NNSA), назвав это научным подвигом, к которому шли десятилетиями.

Источник изображений: LLNL

О том, что специалисты National Ignition Facility (NIF) при Ливерморской лаборатории, смогли достичь реакции термоядерного синтеза с положительным выходом энергии, стало известно ещё на днях. Теперь же данные официально подтвердились: 5 декабря команда исследователей провела первый в истории эксперимент по управляемому термоядерному синтезу, в результате которого было произведено больше энергии, чем потрачено лазерной энергии для запуска реакции.

Часть установки, в которой была запущена реакция синтеза

В рамках эксперимента самая мощная в мире лазерная установка, включающая 192 лазера, доставила до крошечной капсулы с топливом 2,05 МДж энергии, а в результате реакции учёные получили 3,15 МДж энергии. То есть на выходе оказалось более чем в полтора раза больше энергии, чем было затрачено.

Термоядерный синтез — это реакция, при которой два лёгких атомных ядра объединяются в одно более тяжелое, при этом генерируя большой объём энергии. То же самое происходит внутри звёзд. Американские учёные ещё в 60-е годы прошлого века предположили, что для запуска реакции синтеза можно использовать лазеры, с помощью которых получится создать огромное давление и температуру, необходимые для запуска реакции. Этот метод был назван управляемым термоядерным синтезом с инерционным удержанием, и спустя множество десятилетий работы его удалось воплотить в лабораторных условиях.

Хольраум с топливом

Чтобы выполнить термоядерное зажигание, капсулу с топливом поместили в хольраум — крошечную камеру, стенки которой превращают лазерное излучение в рентгеновские лучи. Эти лучи сжимают топливо до тех пор, пока оно не взорвётся, создавая плазму с крайне высокими температурой и давлением.

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

В рамках многолетних исследований в LLNL была построена серия все более мощных лазерных систем, что привело к созданию NIF — крупнейшей и самой мощной лазерной системы в мире. NIF имеет размер спортивного стадиона и использует мощные лазерные лучи для создания температур и давлений, подобных тем, которые возникают в ядрах звезд и планет-гигантов.

Конечно, до момента, когда термоядерная энергетика станет обыденностью, пройдёт ещё немало времени, и для этого потребуется провести ещё массу исследований. Тем не менее, значимость первого удачного эксперимента по термоядерному воспламенению огромна — возможно, в итоге он станет отправной точкой в революции в мировой энергетике. Термоядерная энергия может стать альтернативой как обычным атомным электростанциям, работающим наоборот за счёт расщепления атомов, так и углеводородному топливу и избавить людей от вредных выбросов в атмосферу.

«Это знаменательное достижение для исследователей и сотрудников NIF, которые посвятили свою карьеру тому, чтобы термоядерное зажигание стало реальностью, и эта веха, несомненно, повлечет за собой ещё больше открытий, — сказала министр энергетики США Дженнифер М. Грэнхольм (Jennifer M. Granholm). Её также поддержал директор LLNL доктор Ким Будил (Kim Budil): «Термоядерное воспламенение в лаборатории — одна из самых значительных научных задач, когда-либо решаемых человечеством, и ее достижение — это триумф науки, техники и, прежде всего, людей».

На днях на заседании Совета ИТЭР были озвучены опасения о серьёзных задержках по проекту термоядерного реактора ИТЭР. В ходе сборки активной зоны термоядерного реактора выявлены трещины на трубопроводах системы охлаждения. На корпусе вакуумной камеры в составе теплового экрана около 23 км труб, от надёжности которых зависит работа всего реактора. Устранить неисправность на месте нельзя. Масштаб проблем уточняется.

Внешняя сторона вакуумной камеры активной зоны реактора. Источник изображений: ITER

В яме реактора собрано четыре из девяти секций вакуумной камеры активной зоны, по которой должна циркулировать нагретая до более чем 150 млн °C плазма. Четыре секции должна была изготовить Южная Корея (Hyundai Heavy Industries) и пять ЕС. В принципе работы по изготовлению секций практически завершены. Первую секцию опустили в шахту в мае этого года, затем вторую, третью и четвёртую, которые последовательно сваривали друг с другом, включая совмещение системы трубопроводов для охлаждения.

Признаки дефектов в системе трубопроводов были обнаружены ещё в ноябре 2021 года, когда гелиевые испытания выявили утечку на элементе теплового экрана вакуумного сосуда (сектора), поставленного на площадку в 2020 году. Экспертиза установила, что причиной дефекта стало напряжение металла, «вызванное изгибом и сваркой труб с панелями теплового экрана, усугублённое медленной химической реакцией из-за наличия остатков хлора в некоторых небольших областях вблизи сварных швов труб».

Были из этого сделаны выводы или нет, но в процессе сварки четвёртого сектора трещины в трубах системы охлаждения стали видны невооружённым глазом. Согласно выводам экспертов, исправить дефект в шахте реактора нельзя. Сегменты необходимо разбирать, поднимать из шахты и ремонтировать наверху либо заказывать новые изделия полностью. Обнаруженные дефекты самым серьёзным образом повлияют как на график работ, так и на стоимость проекта.

Выявленная рентгеновской установкой трещина в трубопроводе системы охлаждения

Генеральный директор ИТЭР Пьетро Барабаски сказал: «Если и есть что-то хорошее в этой ситуации, так это то, что она происходит в тот момент, когда мы можем её исправить. Опыт, который мы приобретаем в работе с первыми в своем роде компонентами ИТЭР, пригодятся другим, когда они будут запускать свои собственные термоядерные проекты. Природа и миссия ИТЭР, как уникальной и амбициозной исследовательской инфраструктуры, таковы, что в процессе строительства ему придётся пройти через целый ряд проблем и неудач. Поэтому наша задача и долг — своевременно информировать об этом научное сообщество, чтобы оно приняло меры предосторожности при работе с однотипными сборками».

Цель ИТЭР — работать на мощности 500 МВт в течение как минимум 400 секунд непрерывно с 50 МВт потребляемой мощности для нагрева плазмы. По всей видимости, в процессе эксплуатации может потребоваться дополнительно 300 МВт электроэнергии. Электричество в ИТЭР вырабатываться не будет. Согласно последним планам после ряда переносов первая плазма должна была быть получена в 2025 году. Судя по всему, эти сроки будут пересмотрены в сторону серьёзного увеличения. Ожидается, что новые планы проведения работ будут объявлены весной 2023 года, когда новый директор ИТЭР, назначенный в сентябре этого года, полностью войдёт в курс на новой должности.

В новостной ленте международного проекта термоядерного реактора ITER (ИТЭР) сообщается, что строительную площадку реактора во Франции посетила делегация итальянского проекта DTT. Итальянский «диверторный» реактор создаётся как самостоятельный проект, хотя он заметно меньше ИТЭР и похож на него далеко не во всём. Тем не менее, итальянский проект будет готовить почву для преемника ИТЭР — первой европейской термоядерной электростанции DEMO.

Рендер реактора DTT (нажмите для увеличения)

После ряда совместных докладов стороны договорились разработать рамочное соглашение о будущих общих исследованиях. Реактор ИТЭР, как известно, не будет вырабатывать электричество из энергии термоядерного синтеза. Он лишь должен на практике доказать возможность вырабатывать в 10 раз больше мощности, чем затрачено на запуск самоподдерживающейся термоядерной реакции. В то же время в конструкции ИТЭР предусмотрены такие узлы, как диверторы — это приёмники энергии плазмы, которые должны передавать её в те или иные установки для генерации электричества.

Итальянский реактор DTT (диверторный токамак) строится по схеме, напоминающей ИТЭР — такая же вакуумная камера и такое же количество тороидальных и полоидальных сверхпроводящих катушек, но он заметно меньше. Основная зона рабочей камеры DTT всего 2,2 м, тогда как у ИТЭР она диаметром 6,2 м. И всё же соотношение вырабатываемой мощности к радиусу получаемой плазмы у обоих токамаков лежит в одном диапазоне, что позволяет адаптировать находки на DTT к испытаниям в составе ИТЭР, а значит — использовать в основе будущей европейской термоядерной электростанции.

Что же это за находки? Итальянский «мини-ИТЭР» будет служить полигоном для испытания разного рода диверторов и систем управления плазмой при съёме энергии (чтобы процесс не пошёл вразнос). Первый дивертор будет аналогичен тому, который уже создаётся для ИТЭР — это вольфрамовые модули, охлаждаемые водой. В будущем на DTT будут испытывать более экзотические решения, включая блоки с жидким металлом.

Реакторы DTT и ITER начнут работать в сходные сроки. Сегодня обе команды находятся на раннем сроке согласования будущих научных работ, однако в будущем они смогут многое почерпнуть друг у друга.

Британская компания Tokamak Energy предложила более мощный демонстратор термоядерного синтеза. Сегодня она располагает установкой ST40, которую намерена заменить на токамак ST80-HTS. Строительство начнётся в 2024 году, чтобы в 2026 году новый демонстратор включился в работу. Новая установка поможет найти практические решения для создания первой термоядерной электростанции в начале 30-х годов нашего века.

Визуализация нового проекта. Источник изображения: Tokamak Energy

Компания Tokamak Energy разрабатывает так называемые сферические токамаки. От классических токамаков с тороидальной рабочей камерой сферические токамаки отличаются формой камеры — она больше похожа на слегка приплюснутое яблоко, а не на бублик. К преимуществам сферических токамаков относят их относительную компактность, хотя управление магнитным полем и плазмой у них сложнее, чем у обычных тороидальных.

Введённый в эксплуатацию около пяти лет назад демонстратор ST40 после ряда модернизаций этой весной смог развить в камере температуру плазмы до 100 млн °C. Для данной установки это был рекорд, который она уже не сможет побить. Новый токамак ST80-HTS должен будет побить рекорды демонстратора по трём параметрам: по плотности, температуре и длительности удержания плазмы и обеспечить импульсный режим работы длительностью около 15 минут.

Компания пока не выбрала место для строительства новой установки, но рассматривает варианты в английском графстве Оксфордшир, где у неё построен демонстратор ST40.

Следует добавить, что власти Великобритании делают ставку именно на сферические токамаки, как на сравнительно малогабаритные установки. Токамаки масштаба ИТЭР они не потянут и вряд ли кто-то вообще будет способен реализовать у себя подобный проект в одиночку. Создание прототипа сферического токамака в Великобритании курирует Управлением по атомной энергии Великобритании (UKAEA), у которой свой собственный проект реактора — STEP. В прошлом месяце выбрано место для его строительства STEP — это район Вест Бертон, где расположена угольная электростанция EDF West Burton A.

Компания Tokamak Energy имеет рамочное соглашение о сотрудничестве с UKAEA, но это скорее формальность, поскольку ничего реального за этим пока не стоит. У UKAEA свой проект и оно его реализует более-менее по плану.

На днях компания General Atomics (GA) объявила о новой концепции экспериментальной термоядерной установки (FPP) для получения безопасной и экологически чистой термоядерной энергии. Вопрос о создании демонстратора вскоре будет решаться с партнёрами компании. В случае согласования проекта в США может появиться первая в мире электростанция на термоядерном синтезе, которая покажет жизнеспособность технологии.

Источник изображения: General Atomics

В основе проекта лежит предложенное General Atomics уникальное решение по съёму энергии термоядерного синтеза в бланкете из карбида кремния, а не широко используемой сегодня для изготовления токамаков стали. Бланкеты переводят энергию возникающих в процессе синтеза нейтронов в простой для дальнейшей утилизации вид. В частности, разогревая теплоноситель для дальнейшего использования в газовых турбинах для выработки электричества.

Решение General Atomics GAMBL (GA Modular Blanket) позволит поднять температуру теплоносителя в два раза с примерно 500 °C до свыше 1000 °C. Также в бланкете в процессе реакций вырабатывается тритий — будущий компонент топлива, что обеспечит самодостаточность процессам термоядерного синтеза.

«Экспериментальная термоядерная установка General Atomics — это революционный шаг вперед для коммерциализации термоядерной энергии, — сказал д-р Уэйн Соломон (Wayne Solomon), вице-президент по энергии магнитного синтеза компании General Atomics. — Наш практический подход к созданию FPP является кульминацией более чем шестидесятилетних инвестиций в исследования и разработки в области термоядерного синтеза».

Крупнейшим в мире экспериментом по созданию термоядерного реактора (токамака) с устойчивым самоподдерживающимся выходом энергии остаётся международный проект ИТЭР на юге Франции. Но электричество на реакторе ИТЭР вырабатываться не будет. Поэтому проект General Atomics будет выгодно отличаться от ИТЭР, хотя мощности установок будут несопоставимы по масштабам. Впрочем, повторить международный проект на уровне отдельных стран будет невозможно, тогда как относительно компактная установка General Atomics вполне может стать массовой, если она себя оправдает на уровне демонстратора.

Китайские научные круги сообщают, что запущенный в конце 2021 года в Сычуани термоядерный реактор HL-2M Tokamak приблизился к запуску самоподдерживающейся термоядерной реакции. Установка сделала два важных шага в этом направлении: добилась рекордных показателей как температуры плазмы, так и её тока.

Источник изображения: Weibo

Ранее реактор HL-2M Tokamak, построенный в городе Чэнду провинции Сычуань, смог разогреть плазму до 150 млн °C, что в 10 раз больше, чем в ядре Солнца. Реакция поддерживалась 10 с. Судя по всему, речь идёт о температуре нагрева электронов в плазменном жгуте. Для запуска устойчивой термоядерной реакции требуется нагреть до температуры 100 млн °C ионы газа в плазме, которые в два раза тяжелее электронов. Это означает, что разница температур между электронами и ионами будет примерно двукратная. Иначе говоря, реактор нагрел ионы до 75 млн °C и должен повысить это значение ещё на 25 млн °C.

Что касается тока в плазме, то его значение для реактора HL-2M Tokamak должно существенно превышать 1 млн А или 1 МА (мегаампер). Последние эксперименты на реакторе показывают, что установка способна создавать в плазме ток силой не менее 1 МА. Для разных реакторов это значение будет отличаться. Например, для запуска термоядерной реакции в установке ИТЭР требуется создание токов в плазме силой от 15 до 17 МА.

Работы с несколькими экспериментальными термоядерными установками в Китае должны помочь Поднебесной построить промышленный прототип термоядерного реактора к 2035 году и ввести технологию в широкомасштабное коммерческое использование к 2050 году.

Термоядерные реакции, в ходе которых лёгкие ядра сливаются с образованием более тяжёлых ядер (практически это превращение ядер водорода в ядра гелия с выделением огромных объёмов энергии), обещают людям бесконечную и чистую энергию, но создать условия для термоядерных реакций на Земле очень и очень сложно. Самый амбициозный проект в этой сфере — это создание международного реактора ИТЭР на юге Франции. Проект должен был быть завершён в 2018 году, но технические сложности при его реализации столь велики, что сроки неоднократно переносились и сегодня снова под вопросом.

На днях представитель Министерства энергетики США сообщил, что впервые в истории страны частным компаниям будет направлено бюджетное финансирование на развитие термоядерной энергетики. Тем самым власти дают понять инвесторам, что они верят в скорое появление коммерческого термояда и своим примером приглашают бизнес вкладывать деньги в это направление.

На строительной площадке ИТЭР. Источник изображения: ИТЭР

Следует отметить, что с 50-х годов прошлого века власти США ежегодно выделяют на термоядерную энергетику порядка $700 млн. Но все эти деньги идут на фундаментальные исследования университетам и национальным лабораториям. С начала 2000-х годов это финансирование также включает расходы на международный проект термоядерного реактора ИТЭР.

Тем самым компании в США до этого момент привлекали деньги только частных инвесторов без участия государства в партнёрских программах. В 2020 году Конгресс проголосовал за частно-государтсвенное партнёрство в термоядерных проектах и теперь в бюджет следующего года впервые для этого заложена определённая сумма. Всего на эти цели разрешено потратить до $415 млн в будущих бюджетах. Выделенная сумма в $50 млн будет потрачена в течение следующих 18 месяцев.

«Эти деньги означают, что правительство США серьезно настроено на создание программы термоядерного синтеза, которая будет иметь коммерческое значение в ускоренные сроки», — сказал CNBC Эндрю Холланд (Andrew Holland), генеральный директор отраслевой группы Fusion Industry Association.

Недавний отчёт Ассоциации термоядерной промышленности (FIA) дал понять, что за последние 12 месяцев финансирование коммерческих программ, связанных с термоядерным синтезом, значительно увеличилось. Например, частная компания Commonwealth Fusion Systems с частичным финансированием со стороны империи Билла Гейтса привлекла $1,8 млрд. В активе Commonwealth сверхсильные магниты, которые могут помочь уменьшить размеры коммерческих термоядерных реакторов. Можно ожидать, что усиление денежных потоков частным разработчикам термоядерных реакторов ускорит появление коммерческих термоядерных электростанций, что даст человечеству неиссякаемый источник чистой энергии.

Как утверждают китайские источники, на юго-западе Китая в провинции Сычуань в городе Чэнду будет построена первая в мире импульсная гибридная термоядерно-ядерная электростанция. Завершение строительства ожидается в 2025 году с запуском в работу в 2028 году. Таким образом, до опытно-коммерческого применения термоядерных реакций в Китае осталось порядка шести лет.

Источник изображения: China Academy of Engineering Physics

Установка Z-FFR будет использовать термоядерную реакцию для получения облака быстрых нейтронов, главной задачей которых будет запуск обычной реакции деления ядерного топлива. Основная выгода от предложенного решения — возможность использовать в качестве топлива отходы уранового топлива от современных АЭС и тория. Запасов одного и другого накоплено не просто много, а очень много.

В основе «запала» дейтерий-тритиевой мишени установки лежит так называемый принцип «Z-машины» или Z-Pinch. Этот принцип, например, в США реализовали в Сандийских национальных лабораториях. Американская Z-машина способна вырабатывать импульс тока силой 20 млн А. Токовый канал подобной силы вырабатывает мощнейшее электромагнитное поле и, как следствие, создаёт внутри себя высочайшие давление и температуру. Физические условия внутри канала способны сжать топливную мишень до такого состояния, при котором запустятся реакции термоядерного синтеза.

Китайская установка Z-FFR будет способна создавать ток силой 50 млн А, что более чем в два раза больше сандийской Z-машины. Учёные уверены, что этого будет достаточно для термоядерного синтеза. Полученная в результате реакции энергия не будет сниматься как полезная, а будет направлена на запуск традиционной реакции деления в топливе, размещённом по стенкам камеры. Энергия в виде тепла будет сниматься с топлива в процессе запуска реакции расщепления и дальше идти на турбины, как в привычных ядерных реакторах.

Утверждается, что гибридная установка станет первым в мире практическим применением термоядерной реакции для получения энергии. В то же время следует понимать, что при реализации этого проекта придётся решать массу технологических задач, куда, например, входит создание сверхъёмких и сверхнадёжных суперконденсаторов, проводников, выдерживающих запредельные токи, и лазерных коммутаторов для мгновенного переключения каналов подачи энергии. И даже если заявленные цели не будут достигнуты в срок, проект станет колоссальным лабораторным стендом для множества инновационных испытаний.

Во вторник с предприятия «ГИКОМ» в Нижнем Новгороде на площадку строящегося во Франции термоядерного реактора ИТЭР (ITER) отправлены первые гиротронные комплексы. В четверг будет отправлена ещё одна машина. В поставке четыре гиротрона с сопутствующим оборудованием. Всего Россия изготовит 8 гиротронов из 24 необходимых для работы реактора. Остальные гиротроны поставят Европа, Япония и Индия.

Источник изображения: Проектный центр ИТЭР

Гиротроны нужны для вспомогательного разогрева плазмы в реакторе. Кроме того, гиротроны способны разогревать плазму локально, что позволяет подавлять её неустойчивость и даже задавать конфигурацию. Тем самым изначально вспомогательная роль гиротронов стала одной из ведущих для решения задачи управляемости термоядерными реакторами. Сам по себе гиротрон — это условно нечто среднее между микроволновкой и оптическим лазером. Устройство излучает микроволны длиной 1–2 мм в пучке, который ведёт себя как оптический луч.

Получить заказ на треть гиротронов для ИТЭР Россия смогла благодаря самому лучшему предложению в мире. КПД российских гиротронов достигает 55 %, тогда как зарубежные аналоги не дотягивают по этому параметру до 50 %. В этом российские производители конкурируют с японской Toshiba и европейской Thales. Кроме самих гиротронов необходимо сложнейшее оборудование для его работы, куда входит оборудование для водяного охлаждения, криокулеры, системы формирования СВЧ-пучка и другие высокотехнологичные решения.

В целом в августе этого года Россия осуществила 25-ю поставку оборудования на площадку ИТЭР. Российские предприятия изготавливают для ИТЭР электротехническое оборудование, сверхпроводящие магниты и элементы реакторной зоны.

Опытный реактор ИТЭР будет представлять собой демонстратор возможности вырабатывать энергию с коэффициентом 1:10. При поддержке горения плазмы энергией 50 МВт выделяемая от термоядерной реакции энергия должна составлять 500 МВт. Длительность реакции должна быть не менее 400 с. Преобразования тепловой энергии в электрическую на реакторе не будет. Для этого будет предложен отдельный проект электростанции DEMO. Различные трудности при реализации проекта сдвинули сроки запуска ИТЭР с 2018 на 2025 год, а пандемия COVID-19 отодвинула запуск ещё на какое-то время, о чём нам точно сообщат весной следующего года.

На этой неделе корейское «искусственное солнце» попало в заголовки многих изданий. Термоядерный реактор KSTAR почти 30 секунд удерживал плазму при температуре около 100 млн °C, что в семь раз горячее, чем в ядре Солнца, где идут термоядерные реакции. И это само по себе обнадёживает. Миру нужна недорогая и бесконечная термоядерная энергия. Вот только событие это состоялось почти год назад (о чём мы сообщали), а вспомнили о нём благодаря свежей публикации в Nature.

Источник изображения: National Research Council of Science & Technology

Впрочем, южнокорейские учёные рассказали в статье, как они добились успеха в удержании плазмы, поэтому нам тоже есть о чём поговорить не пересказывая старую новость, как поступило большинство других изданий.

Учёные KSTAR (Korea Institute of Fusion Energy) поставили задачу добиться стабильности плазмы на токамаке Tokamak Advanced Research. Этот термоядерный реактор, к слову, стал одним из первых в мире, когда в 2007 году реализовал на практике управление магнитным полем реактора с помощью двух групп сверхпроводящих магнитов — тороидальных и полоидальных (с продольными и поперечными силовыми линиями). Магнитное поле удерживает плазменный жгут от соприкосновения со стенками реактора и не даёт плазме остыть, а также повредить стенки реактора, вследствие чего происходит загрязнение плазмы и потеря её качества.

Магнитные поля могут быть двух типов. Форма поля с эффектом краевого транспортного барьера (КТБ) ведёт к сильному снижению давления у стенки реактора, что не даёт плазме касаться стенок. Поле второго типа создаёт внутренний транспортный барьер (ВТБ), вследствие чего давление по центру образования плазмы резко возрастает и возникает плазменное «ядро». Но в любом случаев возникают краевые нестабильности плазмы, что ведёт к снижению управляемости и, в конечном итоге, к контактам со стенками реактора, охлаждением и остановке реакции.

В поставленном эксперименте южнокорейские учёные модифицировали подход ВТБ, несколько уменьшив плотность плазмы в реакторе, так что в центре плазменного жгута температура выросла, а на периферии уменьшилась. Судя по наблюдениям, краевая нестабильность плазмы стала ощутимо меньше. Это привело к тому, что плазма в реакторе оставалась стабильной и легко управляемой в течение целых 20 с, а всего реактор в цикле смог работать 30 с, что стало для него новым рекордом.

Температура плазмы при этом была на уровне 100 млн °C и это была ионная плазма, в отличие от температурных рекордов китайских термоядерных реакторов, в которых говорят только о температуре электронной плазмы (а в термоядерных реакторах она должна быть в два раза больше ионной).

«Благодаря обилию быстрых ионов, стабилизирующих турбулентность плазмы в ядре, мы генерируем плазму при температуре 100 млн K продолжительностью до 20 с без краевых неустойчивостей плазмы или накопления примесей. Низкая плотность плазмы в сочетании с умеренной входной мощностью для работы является ключом к установлению этого режима путем сохранения высокой доли быстрых ионов. Этот режим редко нарушается и может надежно поддерживаться даже без сложного управления и, таким образом, представляет собой перспективный путь к коммерческим термоядерным реакторам», — говорится в статье Nature о данном эксперименте.

Корейцы нащупали путь, по которому смогут продвигаться дальше. Глобальной целью проекта называется удержание ионной плазмы при температуре 100 млн °C в течение 300 с, чего они намерены добиться в 2025 или 2026 году.

Сообщается, что на строительную площадку Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) на юге Франции в 14 трейлерах доставлена 25-я партия электротехнического оборудования из России. Поставленное оборудование считается сложнейшим среди всего материального вклада российских учёных в проект ИТЭР. Без него буквально «невозможно будет получить первую плазму в реакторе».

Источник изображения: «Росатом»

Доставленное оборудование стало второй в этом году партией российских изделий для ИТЭР. Первая партия была отправлена во Францию в мае в 8 трейлерах. Поставленное оборудование произведено в Санкт-Петербурге с участием АО «НИИЭФА» (входит в Госкорпорацию «Росатом»). Это «коммутационное оборудование, шины и энергопоглощающие резисторы для электроснабжения и защиты сверхпроводящей магнитной системы реактора ИТЭР».

Монтаж системы энергоснабжения термоядерного реактора ведётся в непрерывном режиме, что также требует регулярных поставок компонентов для проведения работ, с чем российские производители успешно справляются. В то же время напомним, что пандемия COVID-19 оказала влияние на работу ряда подрядчиков по проекту и сроки получения первой плазмы, скорее всего, будут перенесены с 2025 года на более позднюю дату. Детальное решение об этом будет принято в будущем году.

Первоначально первая плазма должна была быть получена в 2018 году. Затягивания сроков строительства заставило Совет ИТЭР перенести это событие на 2025 год. Новую дату будет утверждать новый директор ИТЭР, выборы которого состоятся в сентябре.

Термоядерный реактор ИТЭР не предназначен для вырабатывания электричества. Запуск реактора должен доказать возможность поддержания термоядерной реакции с коэффициентом мощности 1:10 на поддержание плазмы: при 50 МВт на нагрев плазмы реактор должен будет отдавать 500 МВт в течение как минимум 400 секунд непрерывно. По всей видимости, в процессе эксплуатации может потребоваться дополнительно 300 МВт электроэнергии.

Строительство ИТЭР на юге Франции началось в 2010 году. Проект включает сотрудничество 35 стран, 6 из которых вносят равные доли в половину стоимости проекта, а вторую половину вносит ЕС.

Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США нашли новый способ производства мощных магнитов небольшого размера для термоядерных реакторов. Технология отличается простотой и надёжностью, что обещает приблизить появление коммерческих термоядерных реакторов и открыть человечеству доступ к бесконечной и чистой энергии.

Источник изображения: PPPL

Сегодня для исследовательских термоядерных реакторов всех типов и также для реактора ИТЭР создаются магниты на основе низкотемпературной сверхпроводимости (реже — обычные на меди). К сожалению, низкотемпературная сверхпроводимость сильно ограничивает максимально возможную величину магнитного поля, что заставляет делать сверхпроводящие магниты очень большими, а это ведёт к увеличению размеров термоядерных реакторов со всеми негативными последствиями для экономики процессов.

Выходом может стать высокотемпературная сверхпроводимость, что позволит кратно поднять напряжённость магнитных полей и уменьшить размеры самих магнитов. Чем меньше магниты, тем компактнее активная рабочая зона термоядерного реактора. Такие реакторы удобно обслуживать и экономно эксплуатировать. Именно в этом направлении работала группа учёных из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) вместе с коллегами из Advanced Conductor Technologies, Университета Колорадо в Боулдере и Национальной лаборатории высоких магнитных полей в Таллахасси, штат Флорида.

Исследователи разработали технологию производства компактных сверхпроводящих магнитов с двумя серьёзными усовершенствованиями. Во-первых, они подобрали материалы для создания высокотемпературной проводимости. Во-вторых, разработана технология создания катушек заданной формы без использования изоляционных материалов. Сверхпроводимый провод без изоляции просто укладывается в проделанные для него бороздки в основе катушки и это многократно облегчает процесс изготовления магнитов.

«Стоимость намотки катушек намного ниже, потому что нам не нужно проходить через дорогостоящий и чреватый ошибками процесс вакуумной пропитки эпоксидной смолой, — сказал ведущий исследователь. — Вместо этого вы непосредственно наматываете проводник на форму из катушки».

Особенно важной данная разработка представляется для разработки так называемых сферических токамаков, которые внешне похожи на яблоко, а не на бублик классического токамака. Для сферических токамаков размер имеет первостепенное значение. Такие реакторы могут быть довольно компактными, но магнитные поля у них очень и очень сложной формы, что предъявляет жёсткие требования к магнитам. Компактные магниты могут решить такие проблемы и, хочется надеяться, рано или поздно это произойдёт.

Свежий отчёт Ассоциации термоядерной промышленности (FIA) даёт понять, что за последние 12 месяцев финансирование коммерческих программ, связанных с термоядерным синтезом, значительно ускорилось. Увеличение притока средств в сферу разработки коммерческих термоядерных реакторов прямо сигнализирует о росте доверия инвесторов, что даёт надежду на появление зрелого решения в течение следующих 20 лет.

Источник изображения: Kyoto Fusioneering

Согласно опросу FIA среди участников отрасли, за последний год к моменту публикации отчёта финансирование частных термоядерных проектов выросло на 139 % или до $2,83 млрд. «Учитывая ускорение инвестиций, становится всё более вероятным, что коммерческий термоядерный синтез станет реальностью в течение следующих двух десятилетий», — сказал на это Эндрю Холланд (Andrew Holland), генеральный директор Ассоциации термоядерной промышленности.

Опубликованный отчёт стал вторым в истории Ассоциации. Первый отчёт о состоянии зарождающейся отрасли был представлен в октябре 2021 года. В новом отчёте использованы данные и ответы 33 частных компаний, включая всех лидеров нового направления. Год назад в отчёте использовались данные 23 компаний.

Шесть из опрошенных компаний в общей сложности привлекли свыше $200 млн, причём за последний год были сделаны и куда более значительные инвестиции, включая более $1,8 млрд в компанию Commonwealth Fusion Systems и $500 млн в компанию Helion Energy. Также за последний год на рынок вышли 8 новых «термоядерных» компаний, что лишний раз подчёркивает доверие инвесторов к этому направлению и повышает уверенность в том, что коммерческая термоядерная энергетика близка к утверждению в реальности.

Из числа опрошенных компаний сектора 93 % уверены в начале коммерческой выработки электричества термоядерными реакторами в 2030-х годах. Год назад уверенность в этом разделяло меньшее число опрошенных — 83 %. При этом 84 % респондентов считают, что термоядерная установка продемонстрирует достаточно низкую стоимость и высокую эффективность, чтобы считаться коммерчески жизнеспособной в те же сроки.

Также опрос показал, что стационарное производство электроэнергии остаётся основным рынком для 85 % участников сферы термоядерного синтеза. За этой целью следует автономная термоядерная энергетика и производство экологически чистого топлива, включая водород (в этом заинтересованы 27 % респондентов). Тем самым новая отрасль показывает заинтересованность в процессе декарбонизации мировой экономики, что можно только приветствовать.

Руководство международного проекта ИТЭР долго держалось после начала пандемии COVID-19. Закрытие заводов подрядчиков срывало все сроки выполнения работ, но решение по новому графику пока не принималось. Его будет принимать новый директор проекта, выборы которого ожидаются в сентябре. Пока ясно одно — первая плазма в реакторе будет получена позже, чем планировалось.

Источник изображения: ИТЭР

Как гласит опубликованное ИТЭР сообщение: «Несколько заводов, производящих компоненты ИТЭР, закрылись — некоторые на месяцы — и когда они возобновили работу, в некоторых случаях это были не те работники или специалисты». Как считают в ИТЭР, «мы в целом придерживались графика, чтобы получить первую плазму в 2025 году, и задержки можно было компенсировать». Однако COVID-19 ясно показал, что все графики работ оказались просрочены.

Более того, в мае умер генеральный директор ИТЭР — Бернара Биго (Bernard Bigot), видный специалист и энтузиаст своего дела, на котором держалось многое в ИТЭР. Найти адекватную замену будет непросто, но в сентябре проект получит нового руководителя. В ИТЭР хотят, чтобы новый график работ был однозначно связан с новым главой, поэтому ему дадут войти в курс дела и освоиться на новом месте. Тем самым новый график работ едва ли будет представлен раньше апреля следующего года, когда состоится очередной совет проекта.

Согласно предыдущим планам, первая плазма на реакторе ИТЭР должна была быть получена в 2025 году (до этого в планах был 2018 год). Термоядерный реактор ИТЭР не будет вырабатывать электрическую энергию. В его задачи входит доказать осуществимость концепции — способность масштабного реактора поддерживать реакцию синтеза мощностью 500 МВт не менее 400 секунд непрерывно при потреблении 50 МВт на нагрев плазмы (дополнительно может потребоваться до 300 МВт энергии на сопутствующие расходы).

Половину средств на проект даёт ЕС. Остальное предоставляют шесть стран-участниц: Китай, Индия, Япония, Южная Корея, Россия и США. Также все участники осуществляют материальный вклад в виде изготовления компонентов реактора. Контролирует процесс французское Агентство по ядерной безопасности (ASN). В мае этого года на проекте приступили к монтажу активной зоны в шахте реактора (см. фото ниже), в которой будет удерживаться плазма. Работы не останавливаются, но от прежнего графика отстают всё сильнее и сильнее.

Источник изображения: ИТЭР

Также следует учесть, о чём ИТЭР пока не говорит, мир начал сотрясать сильнейший за последние десятилетия геополитический кризис и связанные с ним явления, включая энергетический кризис в Европе. Эти события, как и пандемия, явно не приблизят запуск термоядерного реактора. С другой стороны, любой кризис — это приглашение к смелым действиям. Хочется надеяться, что падение не будет глубоким, а взлёт не заставит себя ждать.