Більше токамаків
На початку березня на сайті Массачусетського технологічного інституту з'явилася новина про виділення фінансування на створення нової термоядерної установки - надпровідного токамака SPARC (Soonest Possible Affordable Robust Compact). Проект отримав 50 мільйонів доларів від італійського енергетичного гіганта ENI, з яких 30 мільйонів будуть витрачені в найближчі три роки, і продовжує шукати нових інвесторів. У масштабах робіт з керованого термоядерного синтезу це непогані гроші - для порівняння річний внесок США в міжнародний проект установки ITER в 2018 році становить близько 65 мільйонів доларів.
Шляхів вирішення проблеми керованого термоядерного синтезу існує дещо, найбільш перспективним зараз вважається використання магнітного поля для утримання високотемпáної плазми в обмеженому обсязі. Наприклад, у вигляді тора, що використовується в установках типу токамак.
На перший погляд принцип їх роботи простий - потрібно відкачати з вакуумної камери повітря, заповнити її сумішшю ізотопів водню (краще дейтерієм і триттям, у термоядерної реакції за участю ядер цих ізотопів більший ефективний переріз), влаштувати пробій в газовій суміші шляхом створення вихорового електричного поля на тороїдальній осі за допомогою індуктора і підвищувати щільність і температуру плазми (середню енергію складових її частинок) різними методами, утримуючи плазмовий шнур від торкання стінок камери потужним магнітним полем певної конфігурації. Якщо щільність і температура плазми і час утримання енергії будуть достатніми, то установку можна розглядати в якості реактора, що виробляє енергію. Однак на практиці виникає величезна кількість проблем, як інженерних, так і фізичних. В результаті проект, який виглядав у моделях і розрахунках багатообіцяючим, може виявитися на практиці занадто складним, щоб бути вигідним реактором.
Щоб термоядерний реактор мав економічний сенс, потужність тепловиділення в плазмі повинна бути достатньою, щоб зберігалися сприятливі умови для протікання термоядерних реакцій, а значення Q (коефіцієнт посилення або відношення теплової потужності, що генерується реактором, до витрачається на підтримку його роботи потужності) було більше одиниці. Наприклад, у споруджуваного зараз експериментального реактора ITER значення Q хочуть довести до 10, а в інших проектах - до ще більш високих значень.
Як це зробити? Якщо ми хочемо отримати велику термоядерну потужність, нам потрібно збільшувати температуру і щільність плазми. При цьому зростає і тиск плазми, як гарячого газу, який необхідно врівноважити тиском магнітного поля. У гру вступає параметр, рівний відношенню цих тисків, який для токамаків повинен бути менше 0,1 (іншими словами, необхідно, щоб магнітний тиск був мінімум в десять разів більше газокінетичного). Щоб цього домогтися, потрібні потужні магнітні системи, що дозволяють утримати плазмовий «бублик» від розльоту. При цьому бажано, щоб встановка була прийнятною за розмірами і складністю.
MIT якраз намагається зробити таку установку - токамак ARC (affordable, robust compact reactor), в магнітній системі якого використовуються високотемпceні надпровідники (ВТСП), що дозволяють отримувати великі значення напруженості магнітного поля. Ці матеріали були відкриті в 1986 році Георгом Беднорцом і Карлом Мюллером і виявляють надпровідні властивості при температурі вище 77 кельвінів. Однак для розвитку технологій отримання надпровідників на основі ВТСП знадобилося понад 20 років і в проект ITER вони «не встигли». В ARC планується досягти магнітного поля в 9,25 Тесла на осі тора (у ITER цей показник заявлений на рівні 5,3 Тесла), при цьому сама установка в кілька десятків разів менше, ніж ITER. Токамак іншої конфігурації, який також використовує ВТСП, створюють зараз у Британії.
Ще одне нововведення в конструкції установки - використання рідкосолевого бланкету (зона, де йде поглинання термоядерних нейтронів і напрацювання тритію) з суміші фторидів літію і берилію (FLiBe), яка може бути використана в якості теплоносія в ядерних реакторах. До інших достоїнств віднесемо також безіндукційний нагрів (від нейтральних частинок відмовилися, залишився хвильовий нагрів), що дозволяє збільшити тривалість горіння плазмового шнура, а Q для ARC передбачається на рівні 13,6.
Однак завдання виявилося досить складним, звідси і виникла ідея створення проміжного етапу робіт, в який входить токамак SPARC. Це спільний проект MIT і приватної компанії CFS (Commonwealth Fusion Systems), створеної випускниками MIT. Вчені хочуть навчитися працювати з ВТСП на основі оксиду іттрію-барію-міді (YBCO), створити з них магнітну систему з необхідними параметрами і провести дослідження впливу потужних магнітних полів на динаміку розплаву солей, що відіграє роль теплоносія. Сам токамак розрахований на 100 мегават термоядерної потужності і Q приблизно рівне трьом. Установка в 65 разів менше ITER, при цьому заявлене магнітне поле на осі тора становить близько 12 Тесла. Розрахунковий термін створення поки оцінюється в 15 років.
Залишається сподіватися, що команда вчених, зайнята в проекті, зможе подолати майбутній хаос з безлічі окремих досліджень, присвячених самим різним інженерним і фізичним проблемам, що можуть виникнути при створенні цієї установки. У будь-якому випадку накопичені знання зможуть нас наблизити до створення промислового термоядерного реактора, в який не доведеться вкладатися «всім світом».
Про інші проекти приватних компаній в області термоядерного синтезу ви можете прочитати в нашому матеріалі «Це буде бомба».