Токамаки, стеллараторы, разработки на основе лазеров и альтернативные технологии: общемировой обзор устройств термоядерного синтеза

Термоядерный синтез — это процесс, в ходе которого атомные ядра соединяются и образуют более тяжелое ядро с высвобождением большого количества энергии. Однако достижение стабильной и управляемой реакции термоядерного синтеза в практическом смысле связано с рядом научных и технических проблем. Для поддержания такой реакции топливо — обычно изотопы водорода — должно удерживаться в ограниченном пространстве под воздействием высокого давления и чрезвычайно высоких температур, в несколько раз превышающих температуру ядра Солнца.

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.

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 ссылке.