С момента проведения первых экспериментов в области термоядерных реакций в 1950-х годах воспроизведение на Земле термоядерного синтеза — источника энергии звезд — представляет собой сложнейшую задачу. Ученые и инженеры продолжают совершать открытия для того, чтобы воплотить в жизнь идею использования этого практически безграничного источника энергии. За прошедшие годы было спроектировано и построено множество экспериментальных термоядерных устройств, таких как токамаки, стеллараторы, а также устройства на основе лазерных технологий. Это позволило приблизиться к реализации потенциала термоядерной энергии — когда-нибудь эта технология радикально изменит наш подход к энергопроизводству.
В настоящее время в мире действуют, строятся или планируются к строительству более 130 государственных и частных экспериментальных термоядерных устройств разнообразных конструкций, действующих на основе различных подходов к запуску и поддержанию термоядерной реакции. Для обзора этих многочисленных устройств МАГАТЭ опубликовало новый доклад World Survey of Fusion Devices 2022external link, opens in a new tab («Общемировой обзор термоядерных устройств — 2022»), в котором рассматриваются термоядерные устройства в Китае, Казахстане, России, США и других странах по всему миру. В докладе более подробно изложена информация, имеющаяся в Информационной системе по термоядерным устройствам (FusDIS) — доступной онлайн базе данных МАГАТЭ.
«Когда технология термоядерного синтеза будет успешно внедрена, она принесет пользу каждой стране и будет использоваться наряду с ядерной энергией и другими видами устойчивой энергии, способствуя смягчению последствий изменения климата и внося свой вклад в энергопроизводство, — говорит Маттео Барбарино, специалист МАГАТЭ по термоядерной плазме. — Термоядерный синтез может принести пользу практически каждой стране, и это одна из причин, почему он так важен».
«Во всем мире исследователи и инженеры изучают различные конструкции термоядерных устройств, способствуя достижению прогресса, — отмечает Барбарино. — Наша новая публикация представляет собой всеобъемлющий обзор исследований и разработок в области термоядерного синтеза с точки зрения возможностей этих устройств».
Достижение прогресса в этой области не прекращается. Более 30 стран провели эксперименты с различными типами термоядерных устройств, в ходе которых были успешно получены термоядерные реакции, однако они были кратковременны и из них не было произведено достаточного количества энергии.
Разные подходы — одна цель
Каждая глава нового доклада посвящена отдельному классу конструкций и содержит подробные сведения о них, включая название, статус, владельца, страну и организацию, а также краткое описание целей и основных характеристик устройства. В отчете также приводятся статистические данные о публикациях, финансировании и других параметрах, которые помогают создать полную картину состояния международных усилий в области развития термоядерного синтеза.
Токамаки и стеллараторы, к примеру, являются наиболее распространенными термоядерными устройствами. Именно на их развитии сосредоточена большая часть современных исследований. Эти тороидальные устройства оснащены большими магнитами, которые управляют движением плазмы — горячего заряженного газа, в котором происходит термоядерный синтез. В докладе говорится, что в данный момент в мире действуют более 50 токамаков и более 10 стеллараторов. Также в настоящее время во Франции при участии 35 стран строится крупнейший в мире токамак ИТЭР.
Существует и другой подход, основанный на инерционном термоядерном синтезе, при котором для нагрева и сжатия крошечных сферических капсул, содержащих топливные таблетки, используются мощные лазеры (или другие средства). В декабре прошлого года ученым Национальной установки по термоядерному зажиганию (NIF) США удалось при использовании этого подхода добиться значительного прогресса в изучении термоядерного синтеза и выработать около 3,15 мегаджоулей (МДж) энергии при энергозатратах в 2,05 МДж от 192 лазеров.
«В этом году мы достигли момента, когда мы можем говорить в прошедшем времени о таких недостижимых рубежах, как горение плазмы, термоядерное зажигание и получение количества энергии, превышающего энергозатраты. Это поразительно», — говорит Омар Харрикейн, главный научный сотрудник программы инерционного термоядерного синтеза отдела проектной физики Ливерморской национальной лаборатории имени Э. Лоуренса, США.
В докладе также подробно описаны альтернативные технологии, разрабатываемые учеными для воспроизведения термоядерного синтеза, такие как запуск реакции термоядерного синтеза в точке соприкосновения двух ионных пучков, генерируемых ускорителями частиц, или использование топлива, альтернативного изотопам водорода, например, основанного на слиянии протона с бором-11.
Чтобы продемонстрировать, что термоядерный синтез может быть эффективно использован для производства электроэнергии, в настоящее время все больше усилий направляется на проектирование и строительство демонстрационных термоядерных энергетических установок (DEMO), в которые инвестирует также частный сектор. Отдельная глава публикации посвящена 12 существующим концепциям DEMO, которые в последующие 30 лет будут на различных этапах разработки находиться в Европе, Китае, Республике Корее, России, Соединенном Королевстве Великобритании и Северной Ирландии, Соединенных Штатах Америки и Японии.
«Мы достигли значительного прогресса в понимании термоядерного синтеза и его научных основ, но предстоит еще много работы, прежде чем он станет практичным источником электроэнергии», — говорит Барбарино.
Узнайте больше о термоядерном синтезе и роли МАГАТЭ по этой ссылкеexternal link, opens in a new tab.