4 февраля 2022

Пылающая плазма – важнейший шаг на пути к термоядерной энергетике

Идеальные условия для термоядерного синтеза существуют внутри солнечного ядра — это экстремально высокие температуры и огромное давление, создаваемое мощными силами гравитации.

Однако попытки воссоздания этих условий на Земле с помощью термоядерного реактора в отсутствие сильнейших гравитационных сил, присущих звездам,  влекут за собой множество технических проблем. Самая большая из них — это поддержание термоядерной плазмы (заряженного газа, состоящего из ионов и свободных электронов, в котором происходит реакция) в нагретом состоянии при температуре более 100 миллионов градусов Цельсия, удержание ее частиц в магнитном поле и сближение их друг с другом на достаточно продолжительное время для того, чтобы они могли вступить в реакцию и высвободить энергию.

Понимание и проверка существующих гипотез о том, как ведет себя эта горячая термоядерная плазма, являются одними из ключевых вопросов, которые должны решить ученые и инженеры по термоядерному синтезу, чтобы в конечном итоге произвести электричество при помощи термоядерного синтеза.

"ИТЭР предоставит нам возможность изучения "пылающей плазмы", в которой не менее 66 процентов всего нагрева будет происходить за счет синтеза альфа-частиц", - Альберто Лоарте, руководитель научного отдела Организации ИТЭР

Супертопливо для температур, превышающих температуру Солнца

Выбор топлива для термоядерного синтеза ограничен. Топливо, обладающее самым высоким потенциалом производительности на Земле, изготавливается из смеси ионов дейтерия и трития — двух более тяжелых форм водорода. При столкновении при экстремально высоких температурах происходит синтез дейтерия и трития с образованием заряженных частиц, состоящих из двух протонов и двух нейтронов, известных как альфа-частицы, а также свободных нейтронов. В то время как нейтроны выходят из магнитного поля и не взаимодействуют с плазмой, альфа-частицы удерживаются магнитным полем и дополнительно нагревают окружающую плазму.

«Управление этим нагревом имеет решающее значение для возможности использования термоядерной энергии», — говорит профессор Австралийского национального университета Мэтью Хоул.

Безопасная и устойчивая термоядерная энергетика полагается на эти заряженные альфа-частицы и их энергию для поддержания постоянной температуры нагрева плазмы, что позволяет реакциям быть самоподдерживающимися. Достижение этого условия имеет решающее значение для эксплуатации термоядерного реактора.

В 1990-х годах экспериментальные термоядерные реакторы производили до 16 мегаватт (МВт) мощности в течение периода времени продолжительностью менее секунды. В ходе тех экспериментов альфа-частицами обеспечивалось лишь около десяти процентов нагрева, а остальное — внешними нагревателями. Понимание того, что происходит, когда альфа-частицы обеспечивают большую часть нагрева, будет приобретаться в ходе реализации инициатив, подобных ИТЭР — международного экспериментального реактора, сооружение которого ведется на территории Франции.

«ИТЭР предоставит нам возможность изучения "пылающей плазмы", в которой не менее 66 процентов всего нагрева будет происходить за счет синтеза альфа-частиц. В этих условиях ИТЭР будет производить 500 МВт термоядерной энергии в течение периода времени продолжительностью до 500 секунд», — объясняет руководитель научного отдела Организации ИТЭР Альберто Лоарте.

По его словам, эксперименты, которые будет проводить эта организация, дадут столь необходимые ответы на такие ключевые вопросы физики пылающей плазмы, как способы создания плазмы, которая самоподдерживается за счет внутреннего нагрева собственными альфа-частицами, и выбор оптимальных эксплуатационных условий для высоко-производительного термоядерного синтеза, совместимых с возможностями стенки реактора по преобразованию энергии.

Как сделать плазму самоподдерживающейся

Важным показателем производительности термоядерного реактора является его «коэффициент усиления термоядерной энергии», который определяется температурой, плотностью и временем удержания энергии плазмы — мерой эффективности поддержания магнитным полем энергии плазмы с течением времени. Для создания самоподдерживающейся реакции требуются три условия: температура около 100 миллионов градусов Цельсия; плотность, которая в миллион раз меньше плотности воздуха; и удержание энергии в течение периода времени продолжительностью всего несколько секунд.

Хотя необходимые условия хорошо понятны, способ их одновременного достижения далеко не очевиден. Например, увеличение плотности плазмы в принципе выгодно, поскольку оно увеличивает вероятность реакций синтеза. Однако, по словам заместителя директора по термоядерному синтезу в Принстонской лаборатории физики плазмы в Соединенных Штатах Америки Ричарда Гаврилюка, как показывают многие эксперименты, по мере приближения плотности к максимуму удержание плазмы работает хуже, чем предполагалось.

Для успеха эксперимента ИТЭР необходимо найти решения этих проблем, а большая часть таких исследований возможна только в рамках международного сотрудничества. Технические совещания МАГАТЭ по вопросам физики энергетических частиц, управления плазмой, а также сбора, проверки и анализа данных о термоядерном синтезе обеспечивают площадку для обмена научными и техническими результатами и помогают разрабатывать инструменты моделирования, которые могут быть использованы для прогнозирования поведения термоядерной плазмы в ИТЭР и будущих термоядерных энергетических реакторах.

Поиск оптимальных условий

Одна из самых сложных задач — это найти оптимальные условия эксплуатации с обеспечением максимальной мощности термоядерного синтеза и управления плазмой, которые бы создавали возможности высокой производительности без нарушения эксплуатационных границ в течение длительных периодов времени. Нарушение эксплуатационных границ проблематично, поскольку это может вызвать нестабильность, которая может привести к разрушению плазмы в результате явления, известного как «срыв плазмы».

«В тороидальном реакторе типа токамака, таком как ИТЭР, в результате срыва за несколько миллисекунд может произойти стремительное разрушение плазмы и возникнуть значительное тепловое и механическое напряжение компонентов реактора, — объясняет научный координатор секции стабильности и управления Организации ИТЭР Майкл Ленен. — МАГАТЭ помогает избежать этого сценария, содействуя обмену информацией об экспериментальных и теоретических работах, а также моделировании в этой области, уделяя особое внимание в ближайшие несколько лет разработке прочной основы для создания конструкции системы ИТЭР для предотвращения срывов».

Недавние эксперименты и работы по моделированию, включающие методы, основанные на искусственном интеллекте, проливают свет на требуемые условия для обеспечения эффективного управления плазмой, помогая проложить путь к безопасному проектированию и эксплуатации будущих термоядерных электростанций.

«Применение высокопроизводительных усовершенствованных статистических методов и подходов на основе машинного обучения к исследованию срывов может помочь выявить существенные закономерности и раскрыть информацию, которая скрывается в накопленных за годы экспериментальных данных», — говорит научный сотрудник Центра науки и синтеза плазмы Массачусетского технологического института (МТИ) Кристина Ри.

При разработке новых решений, позволяющих избежать нарушения границ, возникает продуктивная синергия между физиками, занимающимися теорией управления, специалистами по моделированию, разработчиками сценариев и инженерами по обработке данных. Необходимо провести дополнительную работу по оценке применимости этих методологий, основанных на данных, для таких проектов, как ИТЭР, однако результаты, по словам Ри, уже являются обнадеживающими.