Поиск способа реализации термоядерного синтеза – перспективного, практически безграничного источника энергии, не производящего долгоживущих радиоактивных отходов, достиг важной вехи. Немецкий экспериментальный реактор Wendelstein 7-X (стелларатор) установил несколько новых мировых рекордов, подтвердив возможность длительного удержания сверхгорячей и стабильной плазмы, чего ранее не удавалось достичь. Этот прорыв является важным этапом в разработке промышленного термоядерного реактора, который в перспективе может стать заменой ископаемому топливу, загрязняющему окружающую среду.
Термоядерный синтез: многолетнее стремление к безупречному источнику энергии
Термоядерный синтез — это процесс, благодаря которому существуют Солнце и звёзды. Он предполагает соединение лёгких ядер атомов водорода в более тяжёлые (например, гелий), в результате чего высвобождается колоссальное количество энергии. В отличие от ядерного деления, которое применяется на современных атомных электростанциях, синтез практически не приводит к образованию радиоактивных отходов, загрязняющих окружающую среду на протяжении длительного времени, и не связан с риском серьёзных аварий.
Воссоздание таких экстремальных условий на Земле представляет собой сложную задачу. Для инициирования реакции требуется нагрев топлива до миллионов градусов и поддержание этой температуры в течение достаточно продолжительного времени, чтобы обеспечить самоподдерживающийся процесс. На текущий момент экспериментальные реакторы расходуют больше энергии, чем генерируют.
Стеллараторы и токамаки: различные стратегии контроля плазмы
С целью удержания плазмы при указанных температурах создаются два типа реакторов: токамаки и стеллараторы.
Токамаки, отличающиеся более простой конструкцией, применяют мощный электрический ток, проходящий через плазму, для формирования удерживающего её магнитного поля. Тем не менее, поддержание устойчивости таким образом затруднено, что влияет на общую эффективность.
Стеллараторы используют сложную систему внешних магнитов, сформированных в спиральную конфигурацию, для стабилизации плазмы без необходимости создания внутреннего тока. Несмотря на сложность разработки, эта конструкция может обеспечить более стабильную работу в будущем. Wendelstein 7-X в настоящее время является одним из наиболее современных стеллараторов.
Рекордные эксперименты Wendelstein 7-X
Международная группа ученых, работающая над проектом Wendelstein 7-X в Институте физики плазмы имени Макса Планка (IPP) в Грайфсвальде, Германия, достигла выдающихся результатов в ходе последних исследований. Реактор установил несколько мировых рекордов, в том числе продемонстрировал беспрецедентную продолжительность поддержания плазмы в горячем и устойчивом состоянии – ключевом показателе для термоядерных реакций.
«Тройное произведение», характеризующее плазму через плотность, температуру и время удержания энергии, достигло уровня, сравнимого с показателями передовых токамаков. Этот параметр имеет решающее значение, поскольку для достижения самоподдерживающейся реакции, при которой выработка энергии превышает затраты, требуется превышение критерия Лоусона.
Томас Клингер, возглавляющий проект Wendelstein 7-X, охарактеризовал новый рекорд как «впечатляющее достижение» и «значительный прогресс на пути к созданию стелларатора, который можно будет использовать для производства электроэнергии». Это подтверждает перспективность данной технологии.
Как им удалось совершить такой успех?
Благодаря важной технической разработке — новой системе впрыска топлива — стало возможным достичь этого результата. Разработанный исследователями инжектор способен выбрасывать сотни гранул замороженного водорода в плазму со скоростью, приближающейся к скорости пули (до 800 метров в секунду).
Плазму нагревали интенсивными микроволновыми импульсами, что позволило ей достичь температуры в 30 миллионов градусов Цельсия. Благодаря этому точному методу удалось удержать плазму в устойчивом состоянии на протяжении 43 секунды — это рекордное время для стелларатора.
Поддержание плазмы в состоянии высокой температуры на протяжении длительного времени критически важно, поскольку именно это определяет количество энергии, генерируемой в процессе термоядерного синтеза. Кроме того, эксперимент зафиксировал новый рекорд – генерация энергии в объеме 1,8 гигаджоуля за шесть минут, что существенно выше, чем у других реакторов, например, у китайского токамака EAST.
К коммерческой термоядерной энергии: перспективы ближайшего будущего?
Полученные данные подтверждают, что стелларатор представляет собой перспективную технологию для будущих термоядерных электростанций. Возможность стабильного удержания плазмы без необходимости создания внутреннего тока является значительным преимуществом для обеспечения непрерывной и коммерчески выгодной работы.
Роберт Вольф, возглавляющий отдел нагрева и оптимизации проекта Wendelstein 7-X, отметил, что достигнутый успех стал результатом эффективного международного сотрудничества, которое повышает уверенность в перспективах термоядерного синтеза на будущее.
Впереди еще многое предстоит сделать. Следующий этап предполагает соответствие критерию Лоусона и достижение выработки энергии, превышающей потребление реактора. Далее возникнут задачи, касающиеся создания масштабируемых, надежных и экономически эффективных систем.
Каждый преодоленный рекорд, каждое технологическое достижение сближают нас с чистым, почти неисчерпаемым и безопасным источником энергии.