Удержать звезду. Термояд (часть 2.1)

Есть вот такая вот забавная картинка.

Это объём топлива, необходимый для работы в течение года электростанции мощностью 1 ГВт. Сравниваются угольная (привет немцам), АЭС, для устрашения - ЭС на дровах.

При том, что дейтерий содержится в воде, а литий добывается ежегодно тысячами тонн (для аккумуляторов). Становится понятно, что у УТС есть некоторые преимущества.

В прошлый раз мы остановились на количественных требованиях к удержанию плазмы, чтобы энергетический выход от УТС был положительным. Также упомянули, что есть два пути достижения Критерия Лоусона.

Настал черёд подробнее разобрать эти способы и посмотреть, как далеко продвинулись физики за 50 лет.

Начнём с методов, направленных на увеличение времени удержания.

В настоящее время наиболее успешными и подающими главные надежды на получение термоядерных реакторов являются токамаки (токамак – тороидальная камера с магнитными катушками).

Токамак глазами голодных студентов-физиков.

Первые эксперименты по управляемому удержанию плазмы начались в 1956 году в СССР, Первый токамак (Т-1) был построен в 1958 году. За 10 лет удалось создать первый большой токамак Т-3, на котором были получены небывалые по тем временам температуры и плотности частиц. Полученная температура составила 10 миллионов градусов, а показатель n*T_e – 5*10¹¹. Удержание плазмы длилось 20 миллисекунд.

Токамак Т-3 - первый значимый шаг к УТС.

Прорыв был настолько существенным, что американские и европейские учёные приезжали и на своём оборудовании измеряли эти значения, так как поверить в это было трудно. После подтверждения результатов в мире наступила эра токамаков.

Принцип работы токамака

Из камеры откачивают воздух, чтобы посторонние атомы не вмешивались в процесс, а затем в нее вводят рабочую смесь. Снаружи расположены катушки, подключенные к переменному электрическому напряжению. Подобно первичной обмотке трансформатора, они создают кольцевой ток в водородной плазме. В газе всегда есть свободные ионы и электроны,которые начинают двигаться в камере по кругу. Этот ток нагревает газ, количество ионизированных атомов растет, одновременно увеличивается сила тока, и повышается температура плазмы. А значит, количество водородных ядер, слившихся в ядро гелия и выделивших энергию, становится все больше.

Магнитное поле, удерживающее плазму, поддерживается как за счет тока, протекающего через обмотку вокруг камеры, так и за счет тока, индуцированного в плазме. Для получения более устойчивой плазмы используется внешнее продольное магнитное поле.

К сожалению, ряд технических ограничений не позволял получить необходимые для реактора показатели. Плазменный шнур не получалось нагреть до нужных температур, он обладал неусточивостями, которые приводили к выбросу плазмы на стенки.

В 70-е годы появилось второе поколение установок. Была существенно усовершенствована система нагрева, несколько изменилась конструкция (появился дивертор - специальная область, куда "уходит" часть плазмы вместо того, чтобы вылетать на стенки), испытаны методики диагностики и управления плазмой. В СССР это были машины Т-7 и Т-10. На Т-7 была впервые в мире использована сверхпроводящая обмотка (рабочая температура – 4 градуса кельвина, охлаждение жидким гелием ). На Т-10 удалось получить температуру 90 миллионов градусов. Показатель n*T_e был улучшен на порядок и достиг 5*10¹² (отставание в 200 раз от критерия Лоусона). Было выявлено, что дополнительный нагрев плазмы вызывает появление собственных токов в шнуре (не индуцированных увеличением внешнего магнитного поля, которое, понятно, нельзя увеличивать бесконечно), что теоретически позволяет получить стационарный режим горения.

Наступило чёткое понимание, что термоядерный реактор возможен. И были сформированы задачи для токамаков нового поколения.

В 80-е годы было построено 5 токамаков нового поколения (Т-15 в СССР, JET и TORUS-SUPRA в Европе, JT60-U в Японии, TFTR - в США ). Все они являются прототипами будущего ИТЭРа. В основном тексте не хочу вдаваться в детали, что именно было сделано, так как это уже довольно специфические технические подробности, но суть в том, что отставание от критерия Лоусона составляет менее порядка. То есть за 10 лет был достигнут прогресс на два порядка. Время удержания увеличилось более чем в 1000 раз. Рекорд сейчас принадлежит TORUS-SUPRA с временем горения – более 350 секунд.

В картинках прогресс в разных шкалах выглядит так:

То есть время удержания в среднем утраивается каждые 22 месяца.

Кроме того, были подтверждёны расчётные формулы, которые могут предсказать время удержания плазмы в будущих системах.

В 90-е годы существенных прорывов не случилось (видимо, исчезла страна, которая эти прорывы во многом и обеспечивала). Разве что британские учёные решили делать сферические токамаки (то есть малый радиус тора настолько таков, что камера с плазмой имеет форму шара). В теории у данной конфигурации есть определённые преимущества, но в настоящее время такие токамаки используется как вспомогательные для проведения ряда экспериментов (один из лучших в своём роде такой токамак введён в эксплуатацию в 1999 году в Санкт-Петербурге).

Сферический токамак Глобус-М. Как видно, достаточно компактный.

Тем не менее, эксперименты на уже созданных установках продолжались. Также было заключено важнейшее соглашение насчёт ИТЭРА (ITER – international thermonuclear experimental reactor, международные термоядерный экспериментальный реактор). Справедливости ради надо сказать, что первоначальные договорённости, были сделаны в 86-м году при участии Михаила «Иуды» Горбачёва, однако более менее оформились они лишь в 90-е.

В 2000-е рывок совершил Китай. Купив у России токамак Т-7, они сумели его усовершенствовать (тоже при помощи наших специалистов) и на его базе построили токамак EAST.

Великий китайски токамак - EAST.

По их словам, на нём превышен критерий Лоусона и отношении затраченной энергии к полученной составляет 1:1,25. То есть установка работает как источник энергии. Однако эта информация вызывает справедливый скепсис у специалистов в мире. Есть определённые сомнения, что китайцы при довольно небольших затратах (стоимость EAST – миллионы долларов) сумели практически с нуля добиться лучших в мире результатов.

Будущее

Будущее токамаков сейчас – это ИТЭР.

Модель ИТЭРа, внизу для сравнения нарисован человечек.

На сайте проекта есть подробная интерактивная схема с перечнем всех элементов, кому интересно - сюда.

Стоимость проекта – 10 млрд евро. Причём в конце 90-х страны-участники решили в два раза уменьшить финансирование проекта, ухудшив предполагаемые результаты установки. Деньги собирают с мира по нитке – в проекте участвует ЕС, Россия, Япония, США (в 1999 году выходили из проекта, в 2002 вернулись), Китай и даже Индия, Канада, Корея, Казахстан. Для сравнения: дотации в альтернативную энергетику измеряются сотнями миллиардов евро, олимпиада в Сочи уже обошлась в 30 миллиардов, ещё около 10 требуется. Про стоимость военных действий НАТО в Ираке и Афганистане тактично умолчим.

Тем не менее сейчас проект находится на стадии строительства. Победителем в десятилетней войне с Японией за место строительства вышла Франции.

Кадараш, Франция. 2012 год.

Время удержания должно составить около 1000 секунд. Может быть, получится добиться стационарного режима. Предполагаемая выходная мощность должна составить 500 МВт, при десятикратном усилении входящей (то есть на входе будет 50 МВт). Печально, что строительство ИТЭРа должно закончиться лишь в 2019 году.

При этом получать от установки электроэнергию не предполагается. Только эксперименты, на основе которых, будут строить первую термоядерную электростанцию мощностью 2-4 ГВт.

О некоторых других возможностях по достижению УТС, а также о перспективах гибридных реакторов в следующий раз.