США - перспективы термояда

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.

Текущее состояние

"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".

Направления работы

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.

Рекомендации

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 ORNL 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.

Сценарии

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.

MEC-U - модернизированный вариант установки "Matter in Extreme Conditions", сопряжённой с рентгеновским лазерным излучателем "Linac Coherent Light Source".

В настоящее время проект по модернизации установки находится на стадии подготовки к этапу CD-1, в ходе которого будут рассматриваться концептуальный проект, график и стоимость, а также будут проанализированы возможные альтернативы.