Соединённым Штатам необходимо предпринять ряд шагов для того, чтобы в 40-ые годы построить демонстрационную термоядерную электростанцию. Так считают авторы доклада, распространённого в декабре 2020 года и подготовленного научно-консультативным комитетом по энергии синтеза (Fusion Energy Sciences Advisory Committee, FESAC), созданным при министерстве энергетики США.
"Настало время активно продвигаться в направлении внедрения термоядерной энергии, которая могла бы существенно усилить современное общество и одновременно смягчить климатические изменения", - говорится в докладе.
"Научно-технические инновации указывают путь к уникальному американскому видению экономически привлекательной термоядерной энергии, закладывая основы для строительства экспериментальной установки термоядерного синтеза к 40-ым годам".
Термоядерное направление, по мнению авторов доклада, уже "укоренилось", и на сегодняшний день в него в США вложено около 2 миллиардов долларов частных инвестиций.
Дальнейшее развитие термояда в США авторы связывают с достигнутыми прорывами в области физики магнитного удержания плазмы, причём, по их мнению, американские научно-исследовательские работы по данному направлению занимают в мире лидирующие позиции.
Участие американских специалистов в крупных международных проектах - таких, как ITER - авторы полагают важным, равно как и наличие поддержки работ по синтезу от частных компаний.
В то же время, американские "ведущие позиции в некоторых ключевых областях исследований находятся под угрозой из-за отсутствия инвестиций в крупные новые объекты, которые призваны устранить критические пробелы в науке и технике".
Доклад формулирует список направлений, которыми необходимо заниматься уже сегодня, чтобы получить демонстрационную термоядерную станцию в 40-ые годы.
В области научно-технологических исследований по синтезу требуется:
- разрабатывать и улучшать технологии формирования и удержания пылающей плазмы (burning plasma; в такой плазме реакция поддерживается, в основном за счёт образующихся в процессе реакции α-частиц);
- готовить инженерно-технические основы термоядерного реактора; в частности, разрабатывать материалы, пригодные для работы в тяжёлых условиях термоядерных установок;
- искать пути практического применения термоядерной энергии, в том числе, отрабатывать способы наработки термоядерного топлива и преобразования термоядерной энергии в электрическую.
В области физики и технологии плазмы требуется:
- продолжать исследования вездесущей плазмы в окружающем нас мире ("плазма пронизывает вселенную и является "сердцем" наибольших энергетических событий среди наблюдаемых нами");
- исследовать и открывать новые режимы и экзотические состояния материи, благодаря современным экспериментальным возможностям;
- создавать технологии преобразования для полного раскрытия потенциала плазмы для общества.
В списке рекомендаций, помимо типичных для документов такого рода общих слов о необходимости долгосрочного планирования, объединения усилий, поддержки и так далее, имеется несколько конкретных пунктов.
Так, отмечается потребность строительства в США новых исследовательских установок, в том числе, малых и средних. Ведущиеся в стране научно-исследовательские работы должны включать в себя подготовку черновых (предварительных) проектов будущих установок.
К разработке проекта демонстрационной термоядерной электростанции следует приступать уже сегодня, так как для выбора "наиболее привлекательного экономически решения в максимально короткие сроки" понадобится время.
Доклад выделяет ряд крупных установок, которые, по мнению авторов, необходимо построить в США.
- Fusion Prototypic Neutron Source (FPNS) - установка для изучения поведения материалов под облучением в условиях термоядерных реакторов;
- Material Plasma Exposure Experiment (MPEX) - проект,разработанный в Окридже для изучения взаимодействия плазмы и материалов;
- различные установки для экспериментального исследования поведения материалов и оборудования при интенсивных тепловых потоках; так же как и MPEX, данные установки необходимы для изучения свойств и поведения твёрдых и жидких материалов и компонент, граничащих в термоядерных реакторах с горячей плазмой;
- EXhaust and Confinement Integration Tokamak Experiment (EXCITE) - на этой установке предполагается комплексное изучение различных проблем, которые могут возникнуть при интеграции систем удержания плазмы и дивертора будущей термоядерной электростанции;
- Blanket Component Test Facility (BCTF) - установка для испытаний бланкетов термоядерных станций в условиях, близких к рабочим, но без нейтронных потоков и в отсутствие радиоактивных материалов;
- стелларатор (средний) - на нём планируется экспериментальное подтверждение концепции "улучшенного стационарного удержания плазмы в сочетании с новым нерезонансным дивертором (non-resonant divertor); это направление несёт в себе потенциал более привлекательной коммерчески термоядерной системы;
- Volumetric Neutron Source (VNS) - расширенный вариант установки FPNS, на котором предполагается изучение поведения компонентов будущей термоядерной станции;
- Z-pinch (средний) - установка средних параметров, призванная заполнить пробел, имеющийся у американских Z-машин (они или слишком мощные, как Z-машина Сандийских нацлабораторий, или слишком слабые); предлагаемая к строительству установка будет характеризоваться силой тока порядка 10 миллионов ампер.
Также в рекомендациях доклада говорится о необходимости строительства новой установки для изучения солнечного ветра, петаваттной мультилазерной установки и ряда других объектов.
В докладе кратко рассмотрены три различных сценария развития термоядерного направления в США - сценарий постоянного уровня усилий (сохранение поддержки на текущем уровне) и два сценария ускоренного развития.
При сценарии постоянного уровня будет построен MPEX и начнётся строительство FPNS, в других областях также будет наблюдаться "значительный научно-технический прогресс".
Однако, по мнению авторов, "лидерство США в области термоядерной и плазменной науки в этом сценарии находится под угрозой". Большинство перечисленных выше новых исследовательских установок построено не будет.
Американским специалистам в области термояда придётся "сдвигать ресурсы в сторону сотрудничества с международными и частными учреждениями", в том числе, укреплять сотрудничество по линии ITER.
Сценарий умеренного (2% в год) роста поддержки термояда в США выглядит для авторов более привлекательным, причём они замечают, что " отдача от инвестиций относительно небольшого приращения от постоянного уровня усилий к сценарию умеренного роста существенна".
В этом сценарии ускоряются работы по сооружению FPNS. Уделяется повышенное внимание решению проблемы интеграции систем удержания плазмы и дивертора, так что становится возможным приступить к строительству EXCITE.
Фундаментальные исследования развиваются, пусть и скромными темпами. В то же время, "остаются существенные риски и упущенные возможности". Не будет построен ряд необходимых установок. Также не исключено снижение активности по ряду существующих программ по токамакам.
Выполнение всех перечисленных в докладе рекомендаций возможно только для сценария неограниченного роста поддержки термоядерного направления со стороны государства.
В этом случае необходимо в правильном порядке выстроить приоритеты, и в первую очередь обеспечить сооружение MPEX, FNPS, EXCITE и MEC-U.