JT-60SA, крупнейший в мире реактор ядерного синтеза, произвел рекордный объем плазмы — 160 кубических метров, что занесено в Книгу рекордов Гиннесса. Эти результаты могут помочь оптимизировать управление большими объемами плазмы для реакторов ITER и DEMO. Этот технологический успех является шагом вперед на пути к коммерческому использованию энергии ядерного синтеза.
JT-60SA (JAERI — Japan Atomic Energy Research Institute — Tokamak 60 Super Advanced) — это совместный проект Японии и Европы, направленный на поддержку технических целей проектов ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) и DEMO. Имея высоту 15,5 метров (примерно половина высоты ITER) и расположенный в Нака, префектура Ибараки, Япония, он является крупнейшим экспериментальным сверхпроводящим плазменным токамаком в мире на сегодняшний день (до ввода ITER в эксплуатацию).
JT-60SA — это современная версия японского реактора JT-60, который с 1980-х годов является ведущим инструментом в исследованиях ядерного синтеза. После генерации первой плазмы (ионизированного газа при экстремально высоких температурах) в октябре прошлого года были достигнуты значительные успехи в оптимизации управления плазмой больших размеров.
На 60 м³ больше предыдущего рекорда
Для генерации и удержания плазмы, температура которой может достигать 100 миллионов градусов Цельсия, в JT-60SA используются мощные сверхпроводящие катушки, охлажденные до -269 °C. Характеристики этих катушек позволяют им пропускать мощные электрические токи без сопротивления, создавая интенсивные магнитные поля, которые эффективно удерживают плазму.
Точнее, высокотемпературная плазма заключена в тороидальное магнитное поле, создаваемое внешними катушками (основное магнитное поле), и радиальное полоидальное магнитное поле, создаваемое окружным электрическим током, протекающим в самой плазме. Полоидальное поле представляет собой небольшое круговое кольцо вокруг поверхности катушки, а тороидальное поле представляет собой большое круговое кольцо вокруг тора. Тор находится в вакууме, чтобы предотвратить загрязнение плазмы посторонними частицами. Такая конфигурация позволяет генерировать длинноимпульсную плазму сложной формы.
После ряда оптимизаций, направленных на увеличение объема генерируемой плазмы, были проведены различные этапы операций для оценки новых характеристик JT-60SA. Они включали вакуумную откачку реактора, охлаждение сверхпроводящих катушек и испытания на впрыск энергии в катушки. Инженеры получили объем плазмы в 160 кубических метров, что на 60 кубических метров больше предыдущего рекорда. Церемония занесения этого достижения в Книгу рекордов Гиннесса состоится в Институте науки и технологии термоядерного синтеза Нака 19 октября.
На шаг ближе к вводу ITER в эксплуатацию
По словам исследователей, способность реактора удерживать плазму зависит от его размеров, а это значит, что будущие эксперименты по зажиганию могут предложить более высокую производительность. Эти результаты также могут быть использованы для оптимизации управления более крупными плазмами, адаптированными к реакторам ITER и DEMO. Динамика плазмы, генерируемой JT60-SA, схожа с той, что прогнозируется для ITER, что позволит изучить ее осуществимость в долгосрочной перспективе.
«В рамках международного сотрудничества Японии, Европы, России, США, Китая, Кореи и Индии проект направлен на демонстрацию научной и технологической осуществимости термоядерной энергии путем строительства и эксплуатации ITER», — объясняют эксперты в пресс-релизе Национального института квантовой науки и технологии (QST) в Японии. Конечной целью ITER является получение энергии термоядерного синтеза, в 10 раз превышающей ту, которая требуется реактору для генерации плазмы. Первые полномасштабные эксперименты должны начаться к 2035 году.
Реактор DEMO планируется построить на основе результатов JT-60SA и ITER. Его цель — продемонстрировать экономическую целесообразность производства энергии за счет ядерного синтеза. «QST будет активно применять знания, полученные в ходе работы над JT-60SA, в реакторах ITER и DEMO и продолжит работать в качестве ядра для ранней коммерциализации термоядерной энергии», — говорит команда. В настоящее время рассматриваются концептуальные планы строительства реактора к 2050 году.
Однако, как и в большинстве проектов ядерного синтеза, в проекте JT-60SA произошли значительные задержки, что, в свою очередь, привело к увеличению первоначальных сроков реализации проектов ITER и DEMO. Хотя первоначально установка должна была быть введена в эксплуатацию в 2016 году, проблемы с поставками и землетрясение в Тохоку в 2011 году отодвинули дату первых испытаний на 2021 год.
Затем произошел инцидент с электрическим кабелем, питающим одну из сверхпроводящих магнитных катушек. Это привело к капитальному ремонту изоляции более 100 электрических узлов — колоссальной задаче, которая заняла 2,5 года. Это также заставило инженеров ITER запланировать более строгие проверки катушек. Подобные технические непредвиденные ситуации все еще могут возникнуть в будущем, и сроки ввода в эксплуатацию следующих двух реакторов могут быть перенесены.