Эксперимент в Великобритании может преодолеть препятствие для термоядерного синтеза

Эксперты считают, что первые результаты эксперимента в Великобритании могут помочь устранить препятствия на пути к коммерческой энергетике, основанной на ядерном синтезе.

Исследователи полагают, что нашли способ удалить избыточное тепло, выделяемое в ходе реакций синтеза.

Избыточный нагрев материалов реактора может их попросту расплавить, что сильно ограничивает время его работы.

Новая система отвода тепла, чем-то напоминающая выхлопную систему автомобиля, позволит снизить температуру в десять раз.

Испытания проводились в рамках эксперимента по модернизации ядерного синтеза Mast (Mega Amp Spherical Tokamak) в Калэме в графстве Оксфордшир. Устройство стоимостью 55 млн фунтов было введено в эксплуатацию в октябре прошлого года после сборки, продолжавшейся семь лет.

Ядерный синтез — это попытка воспроизвести процессы, идущие в глубине Солнца и других звезд, на Земле

Неуловимый синтез

Главная задача сегодня - это получить на выходе реакции синтеза больше энергии, чем затрачивается на ее поддержание. Добиться этого пока не удается.

Ядерная энергия сегодня получается в процессе деления ядер тяжелых элементов, например урана или плутония, на более легкие. В процессе деления появляются новые, более легкие элементы и выделяются нейтроны, которые, как и осколки деления, обладают значительной кинетической энергией. В результате их столкновений с осколками и друг другом выделяется значительное количества тепла, которое мы и используем.

Реакция ядерного синтеза, наоборот, соединяет ядра легких элементов, например водорода, в одно более тяжелое. При этом выделяется огромное количество энергии, которую физики во всем мире пока безуспешно пытаются поймать и заставить работать.

Один из распространенных методов термоядерного синтеза - это реактор типа "токамак", в котором для управления заряженным газом - или плазмой - внутри контейнера, формой напоминающего пончик, используются мощные магнитные поля.

Установка термоядерного синтеза в настоящее время строится на юге Франции в рамках международного проекта под названием Iter. Профессор Иэн Чапман, исполнительный директор Управления по атомной энергии Соединенного Королевства (UKAEA), сказал, что он будет иметь решающее значение для демонстрации возможности внедрения термоядерной энергии в сеть.

Однако профессор указывает, что размер и стоимость Iter означают, что "если каждый раз, когда вы хотите построить термоядерный реактор, вы должны собирать такую сумму денег, - проникновение [термоядерной энергии] на рынок будет определяться экономикой, а не технологиями".

"Горячее Солнца"

Модернизация Mast — это одна из попыток сконструировать своего рода шаблон для более компактных и дешевых термоядерных реакторов. В нем используется инновационная конструкция - сферический токамак, - позволяющая втиснуть ядерное топливо в пространство высотой 4,4 метра и шириной 4 метра. Для сравнения, защитный сосуд, который Iter будет использовать для управления реакциями термоядерного синтеза, имеет высоту 11,4 м и ширину 19,4 м.

У столь скромного размера камеры Mast есть и обратная сторона: "Вы создаете что-то более горячее, чем Солнце ... в меньшем объеме. Вывести оттуда тепло - большая проблема", - говорит профессор Чапман.

Внутри токамака плазма достигает температуры 100 миллионов градусов. Без системы охлаждения, способной справиться с такими температурами, материалы в конструкции пришлось бы регулярно заменять, что сказалось бы на времени работы электростанции.

Новая выхлопная система Super-X, испытываемая в Калхэме, позволит компонентам будущих коммерческих токамаков прослужить намного дольше. Это должно значительно увеличить доступность электростанций, улучшить их экономическую жизнеспособность и снизить стоимость термоядерного электричества.

Испытания на Mast показали, как минимум, десятикратное снижение нагрева материалов с помощью системы Super-X.

Исследователи заявили, что эти результаты кардинально изменили перспективы создания термоядерных электростанций, которые могли бы обеспечивать доступную и эффективную электроэнергию. Термоядерный синтез может стать чистым и практически безграничным источником энергии, что особенно важно в условиях изменения климата.

Доктор Эндрю Кирк, ведущий научный сотрудник проекта модернизации Mast, сказал, что результаты эксперимента стали "моментом, к которому наша команда шла почти 10 лет".

"Мы разработали программу модернизации Mast, чтобы решить проблему выхлопа компактных термоядерных реакторов, и есть признаки того, что нам это удалось, - говорит Кирк. - Super-X снижает нагрев выхлопной системы от температуры паяльной лампы до температуры автомобильного двигателя. Это означает, что ее, возможно, придется менять только один раз за все время службы силовой установки".

Успех выхлопной системы для Mast поможет реализации планов по созданию прототипа термоядерной электростанции под названием Step в Великобритании. Ожидается, что она войдет в строй где-то в 2040-х годах.