5 апреля 2022

Термоядерный синтез с магнитным удержанием плазмы в токамаках и стеллараторах

Принцип работы токамака: Электрическое поле, создаваемое трансформатором, приводит в движение ток (большие красные стрелки) через плазменный столб. В результате образуется полоидальное магнитное поле, которое сжимает поток плазмы таким образом, что в разрезе он приобретает форму круга (зеленые вертикальные круги). Внутри корпуса, по форме напоминающего бублик, создается вакуум, и сжатый таким образом столб позволяет не допустить утечки. Другое магнитное поле, проходящее вдоль всего корпуса, называется тороидальным (зеленые горизонтальные линии). Сочетание этих двух полей создает похожую на спираль трехмерную кривую (показана черным цветом), способную удерживать плазму

В 1934 году в лаборатории впервые произошла реакция термоядерного синтеза, что было большим прорывом для того времени. Однако сегодня это не так сложно сделать: в 2018 году двенадцатилетний подросток вошел в Книгу рекордов Гиннесса как самый молодой человек, успешно проведший термоядерный эксперимент в домашних условиях.

К сожалению, такие эксперименты дают результат, который удерживается лишь доли секунды, и производство и поддержание термоядерных реакций в течение длительного времени остается серьезной проблемой. Только если будет разработан устойчивый и надежный способ производства термоядерной энергии, термоядерный синтез может стать коммерчески целесообразным источником энергии.

Термоядерная энергетика

В термоядерной энергетике используется энергия, высвобождаемая при слиянии легких атомных ядер. Когда две такие частицы объединяются в одну, образуется ядро, которое немного легче, чем суммарная масса исходных ядер. Эта разница не исчезает, а преобразуется в энергию. Удивительно, но такая ничтожная потеря массы превращается в огромное количество энергии, что делает развитие термоядерной энергетики весьма перспективным.

Существуют три состояния материи: твердое, жидкое и газообразное. Если газ подвергается воздействию очень высоких температур, то он превращается в плазму. В плазме электроны отрываются от атомов. Атом, у которого нет электронов, вращающихся вокруг ядра, является «ионизированным» и называется ионом. Таким образом, плазма состоит из ионов и свободных электронов. При этом ученые могут стимулировать ионы так, чтобы они сталкивались друг с другом, сплавлялись и высвобождали энергию.

Поддерживать стабильность плазмы для извлечения энергии весьма непросто. Она хаотична, имеет сверхвысокую температуру, подвержена турбулентности и нестабильна по другим параметрам. Понимание, моделирование и контроль плазмы чрезвычайно сложны, но за последние десятилетия исследователи добились в этом больших успехов.

Для манипуляций с плазмой ученые используют устройства магнитного удержания. Наиболее распространенными термоядерными реакторами такого типа являются токамаки и стеллараторы. В настоящее время это наиболее перспективные концепции для будущих термоядерных энергетических установок.

Принцип работы обоих типов реакторов основан на том факте, что заряженные частицы реагируют на магнитные силы. Ионы удерживаются мощными магнитами в реакторах. Электроны также сковываются силами реакторов. Магнитные силы постоянно вращают частицы в реакторных камерах, по форме напоминающих бублик, не позволяя им покинуть плазму.

Скручивание магнитов позволяет получить спиралевидную форму без использования трансформатора: такая конфигурация называется стелларатором.

Одна проблема, разные решения

Поскольку конфигурации стеллараторов делают их сложными для создания, сегодня большинство устройств для термоядерного синтеза представляют собой токамаки (сокращение названия «тороидальная камера с магнитными катушками»). В настоящее время функционируют около 60 токамаков и 10 стеллараторов.

Оба типа реакторов имеют свои преимущества. Токамаки лучше поддерживают высокую температуру плазмы, а стеллараторы лучше обеспечивают ее стабильность. Хотя сейчас более распространены токамаки, все же возможно, что однажды предпочтение при создании термоядерных энергетических установок будет отдано стеллараторам.

Исследователи добились больших успехов в области термоядерного синтеза с магнитным удержанием и теперь могут с легкостью создавать плазму со сверхвысокой температурой. Они разработали мощные магниты для удержания плазмы и новые материалы, способные выдерживать большую нагрузку в корпусах реакторов. Прогресс в области экспериментальной работы, теории, моделирования и использования симуляторов позволил достичь более глубокого понимания поведения плазмы, и такие экспериментальные установки (токамаки и стеллараторы) как ИТЭР будут играть центральную роль в доказательстве научной и технической возможности производства термоядерной энергии.