The Times: Ученые Великобритании празднуют «крупный прорыв» в области ядерного синтеза

The Times: Ученые Великобритании празднуют «крупный прорыв» в области ядерного синтеза

The Times

17.10

Исследователи достигли знакового прогресса в задаче по получению практически неограниченной чистой энергии из той же реакции, что питает звезды

На бывшем военном аэродроме в нескольких милях к югу от Оксфорда группа ученых пытается «загнать в бутылку» солнце. Не в буквальном смысле, конечно, но их амбиции весьма близки к этому.

Внутри машины яблоковидной формы высотой четыре метра, известной как Mega Amp Spherical Tokamak Upgrade (MAST-U), они пытаются воссоздать, контролировать и в конечном итоге коммерциализировать реакции синтеза, которые питают звезды. За последние недели они добились знакового прогресса.

Термоядерный синтез — это главный «приз» в физике, обещающий практически неисчерпаемый, безуглеродный источник энергии. Идея обманчиво проста: атомы водорода сжимаются вместе так, что сливаются, или синтезируются, превращаясь в гелий. При этом теряется крошечная часть массы, которая преобразуется в большое количество энергии.

Этот процесс принципиально отличается от реакций деления, в которых атомы расщепляются для выработки электроэнергии в обычных АЭС. Вместо «долгоживущих» радиоактивных отходов побочные продукты синтеза являются короткоживущими и гораздо проще в управлении.

Сложность заключается в том, чтобы провести реакцию синтеза. Топливо — атомы водорода — должно быть нагрето до десятков миллионов градусов, пока не превратится в плазму, бурлящее, заряженное состояние материи, настолько горячее, что никакая твердая стена не может его удержать. Единственный способ удержать такую капризную субстанцию — это создать магнитное поле (в оригинале – magnetism).

Команда MAST-U теперь объявляет о том, что UK Atomic Energy Authority (UKAEA), которая курирует эксперимент, назвала «крупным прорывом». Впервые в сферическом токамаке — более компактном типе термоядерной установки по сравнению с крупными тороидальными устройствами, которые применяют другие исследователи — они использовали небольшие магнитные катушки для стабилизации внешнего края плазмы, с чем раньше были проблемы.

Подобно тому, как солнце иногда извергает в пространство мощные вспышки заряженных частиц, плазма внутри термоядерного реактора может извергаться в виде того, что физики называют локализованными колебаниями (edge-localised modes (ELMs)) — внезапными выбросами тепла и энергии.

Если их не контролировать, они могут разрушить внутренние стенки будущей электростанции, вызвав остановку термоядерной реакции. Экспериментаторы MAST-U показали, что, применяя точные трехмерные искривления к магнитному полю — известные как резонансные магнитные возмущения — они могут полностью укротить эти «извержения». По сути, они научили свое «загнанное в бутылку солнце» хорошим манерам.

Физики укрощали такие «извержения» и раньше – в более крупных токамаках тороидальной формы. Установка DIII-D в Калифорнии впервые продемонстрировала подавление ELMs почти два десятилетия назад.

Но команда MAST-U впервые достигла этого в сферическом токамаке — более компактной конструкции с высоким давлением, на которую Великобритания делает ставку для своего будущего прототипа термоядерной установки, известного как Spherical Tokamak for Energy Production (STEP). Сферическая форма обещает более высокую производительность на кубический метр и потенциально более низкие затраты, но ее магнитные поля труднее контролировать.

Руководитель научной программы MAST-U в UKAEA Джеймс Харрисон, заявил: «Подавление ELMs в сферическом токамаке — это знаковое достижение. Это важная демонстрация того, что передовые методы контроля, разработанные для обычных токамаков, могут быть успешно адаптированы к компактным конфигурациям».

Плазма внутри MAST-U достигает около 35 миллионов °C. Это более чем в два раза выше по сравнению с температурой ядра солнца. Контролировать такую температуру так же сложно, как и создавать.

В рамках еще одного достижения, первом в мире, команда также показала, что верхним и нижним диверторам машины —выпускным каналам — можно управлять независимо, что дает возможность управлять теплом и частицами после того, как водородное топливо будет израсходовано. На термоядерной электростанции этот контроль будет ключевым: если плазма ударит о стенку реактора, установка будет повреждена, а плазма разрушится.

Никто из участников экспериментов в кампусе UKAEA в Калеме не делает вид, что овладение синтезом неизбежно. Но настроение осторожно оптимистичное. Каждая маленькая, повторяемая победа укрепляет аргументы в пользу того, что синтез может быть реализован на практике.

Исполнительный директор по науке о плазме и термоядерным операциям в UKAEA Фульвио Милителлио отметил: «Я в восторге от новаторских открытий нашей команды в UKAEA. Эти достижения укрепляют лидерство Великобритании в исследованиях в области синтеза и приближают нас к реализации синтеза как экологически чистого, безопасного и изобильного источника энергии для будущего».

Если все пойдет хорошо, уроки, извлеченные из MAST-U, напрямую будут использованы в STEP, запланированной британской прототипной термоядерной электростанции, в 2040-х годах. Человечество, возможно, еще отделяют годы до того, чтобы «загнать в бутылку» солнце. Но на бывшем аэродроме в Оксфордшире, кажется, начинают придавать форму пробке.