Стремление освоить термоядерный синтез – чистый и практически неисчерпаемый источник энергии без долгосрочных радиоактивных отходов – только что достигло значительного рубежа. Экспериментальный реактор Wendelstein 7-X (стелларатор, установленный в Германии), побил несколько мировых рекордов, продемонстрировав способность удерживать сверхгорячую и стабильную плазму дольше, чем ранее. Этот успех – важный шаг на пути к созданию промышленного термоядерного реактора, который в будущем сможет заменить загрязняющие окружающую среду ископаемые источники энергии.
Термоядерный синтез: много лет надежды на чистую энергию
Термоядерный синтез — это процесс, обеспечивающий энергией Солнце и звёзды. Ядра лёгких атомов водорода сливаются в более тяжёлые (например, гелий), выделяя при этом огромное количество энергии. В отличие от деления ядер, применяемого в АЭС, синтез практически не создаёт долгоживущих радиоактивных отходов и исключает риск крупных аварий.
Воссоздание этих экстремальных условий на Земле — задача огромного масштаба. Для запуска реакции требуется нагреть топливо до миллионов градусов и поддерживать его в таком состоянии достаточно долго, чтобы процесс стал самоподдерживающимся. Экспериментальные реакторы пока потребляют больше энергии, чем вырабатывают.
Стеллары vs токамаки: два пути контроля плазмы
Для поддержания плазмы при подобных температурах разрабатывают два типа реакторов: то McA ки и стеллараторы.
Токамаки отличаются более простой конструкцией и применяют мощный электрический ток в плазме для формирования магнитного поля, которое удерживает ее. Этот способ стабилизации труден для поддержания в течение длительного времени, что снижает эффективность процесса.
Стеллараторы используют внешние магниты, собранные в спираль, для стабилизации плазмы без внутреннего тока. Такая конструкция сложнее в создании, но может работать стабильнее в долгосрочной перспективе. Wendelstein 7-X является самым современным из стеллараторов.
Рекордные эксперименты Wendelstein 7-X
Международная команда, работающая над реактором Wendelstein 7-X в Институте физики плазмы имени Макса Планка (IPP) в Грайфсвальде, Германии, превзошла ожидания в ходе недавних экспериментов. Реактор установил несколько мировых рекордов, в том числе по продолжительности поддержания плазмы в горячем и стабильном состоянии, что является ключевым критерием.
«Тройное произведение» (параметр, объединяющий плотность плазмы, её температуру и время удержания энергии) достигло значений, сопоставимых с показателями лучших токамаков. Этот показатель критически важен: чтобы реакция стала самоподдерживающейся и давала больше энергии, чем потребляет, необходимо преодолеть критерий Лоусона.
Томас Клингер, руководитель проекта Wendelstein 7-X, назвал новый рекорд впечатляющим достижением и важным шагом к созданию стелларатора, пригодного для электростанций. Это свидетельство того, что данная технология имеет большое будущее.
Как им удалось совершить такой успех?
Такое достижение стало возможным благодаря новой системе впрыска топлива. Исследователи создали инжектор, способный выбрасывать сотни гранул замороженного водорода в плазму со скоростью, близкой к скорости пули (до 800 метров в секунду).
Микроволновые импульсы нагревали плазму до 30 миллионов градусов Цельсия. Это обеспечило устойчивое состояние плазмы в течение 43 секунд, что стало рекордным показателем для стелларатора.
Длительное удержание плазмы критически важно, так как при более длительном поддержании ее высокой температуры и стабильности реакция термоядерного синтеза производит больше энергии. В ходе эксперимента установлен еще один рекорд: выработка 1,8 гигаджоуля энергии за шесть минут, превосходящая показатели других реакторов, например китайского токамака EAST.
Термоядерная энергия как бизнес: реальность или иллюзия?
Полученные данные свидетельствуют о том, что стелларатор может стать ключевой технологией в будущих термоядерных электростанциях. Благодаря способности удерживать плазму стабильно без внутреннего тока, стелларатор обладает существенным преимуществом для бесперебойной коммерческой эксплуатации.
Роберт Вольф, руководитель отдела нагрева и оптимизации Wendelstein 7-X, отмечает, что успех стал результатом эффективного международного сотрудничества, которое внушает уверенность в возможности достижения термоядерного синтеза в долгосрочной перспективе.
Путь всё ещё протяжённый. Следующим шагом станет преодоление критического критерия Лоусона и получение больше энергии, чем потребляет реактор. Затем появятся вызовы, связанные с сооружением масштабируемых, долговечных и экономичных установок.
Каждый новый достижение, каждый технологический шаг ведёт человечество к чистой, почти бесконечной и безопасной энергии.