Термоядерные реакторы обещают дешевую и безопасную энергию для всего человечества. Однако сделать контролируемую термоядерную реакцию экономически выгодной пока не удается — энергия, которую мы тратим на нагрев и удержание плазмы в магнитной ловушке достаточно долгое время, чтобы произошел термоядерный синтез, превосходит количество энергии, полученное в результате этой реакции. Тем не менее, каждый новый рекорд на шаг приближает нас к цели.
В 2023 году рекорд установила команда EAST, экспериментального сверхпроводящего токамака Академии наук КНР. Реактор смог поддерживать плазму в режиме высокого удержания в течение 403 секунд. Это в четыре раза дольше, чем прошлый собственный рекорд 2017 года. При этом, как отмечают ученые, значение достижения заключается в режиме высокого удержания, когда повышаются температура и плотность частиц.
В прошлом году Ливерморская национальная лаборатория при Минэнерго США в ходе эксперимента по управляемому термоядерному синтезу облучила капсулу с изотопами водорода, дейтерия и трития, самым большим в мире лазером. В результате реакции было высвобождено около 3,15 мегаджоулей энергии, на 54% больше, чем было затрачено на реакцию. Это был настоящий прорыв. В этом году его удалось повторить: в ходе эксперимента, состоявшегося 30 июля, ученые вновь достигли положительной по затратам энергии термоядерной реакции синтеза.
Важной вехи в развитии ядерной энергетики достиг в прошлом году и Китай. Новейшая версия тороидальной установки для удержания плазмы HL-2А получила ток силой 1 млн ампер в режиме улучшенного удержания (Н-режиме), который обеспечивает значительно более высокую температуру и плотность плазмы. Успех токамака HL-2A стал возможен благодаря усовершенствованию нового реактора и устранению «ключевых технических препятствий», вызванных применением более мощной системы нагрева и нового дивертера, отводящего тепло и защищающего стенки реактора от повреждений.
Способ ослабления разрушительного воздействия убегающих электронов, которые возникают в токамаках, нашли ученые из США. Технология стала возможной благодаря открытию в так называемых альвеновских волнах плазмы. Раньше считалось, что они снижает эффективность термоядерных реакторов, однако новое исследование указывает на пользу волн Альвена для управляемого синтеза.
Другой метод защиты реактора от раскаленной плазмы обнаружила команда инженеров из Университета штата Висконсин (США). Они разработали и применили особое напыление для внутренних стенок камер реактора, которое не только лучше отводит тепло, но повышает производительность реакции. Разработка позволит изготавливать более компактные камеры термоядерного синтеза, которые будет проще эксплуатировать и ремонтировать.
Большинство экспериментальных реакторов термоядерной энергии сегодня работают на тритии, крайне редком и непростом топливе. Калифорнийский стартап TAE Technologies делает ставку на более дешевый и безопасный борводород. Вместе с коллегами из Японии они провели эксперименты и узнали много нового о поведении бора в изолированной плазме реактора типа стеллатор. Результаты испытаний оказались многообещающими, физики продолжат исследования этого вида топлива для термоядерного синтеза.
Важный шаг к термоядерной энергии сделали сотрудники EAST, экспериментального сверхпроводящего токамака Академии наук КНР. Вчера она установила новый рекорд — после 120 тысяч испытаний, тороидальная установка смогла поддерживать плазму в режиме высокого удержания в течение 403 секунды. Предыдущий рекорд — 101 секунда — был установлен в 2017 году.
В завершении года в японской префектуре Ибараки торжественно открыли реактор термоядерного синтеза с тороидальной камерой для удержания плазмы. Новая модель реактора JT-60SA — самый большой токамак в мире, высотой с 4-этажный дом, массой 370 тонн. В его строительстве принимали участие страны ЕС и Великобритания. Ожидается, что он сможет удерживать плазму температурой 200 млн градусов около 100 секунд, то есть намного дольше, чем другие крупные токамаки. Убедиться в этом можно будет через два года, когда JT-60SA выйдет на рабочие мощности.
Глава британской компании Pulsar Fusion убежден, что реакция термоядерного синтеза рано или поздно будет подвластна человеку. И использовать ее можно будет не только для выработки электричества, но и для полетов в далеком космосе. Термоядерные ракетные двигатели (ТЯРД) смогут разгонять космические аппараты до очень высоких скоростей при минимальных затратах топлива. Правда, пока никто не представил рабочий образец такой технологии, но Pulsar Fusion твердо намерена стать первой. И уже начала строительство опытной установки.
Свой вариант ТЯРД разрабатывает и американский стартап Helicity Space. Его особенность в уникальном магнитно-инерционном подходе. По предварительным расчетам, он намного эффективнее традиционных химических ракетных двигателей: шестилетний полет к Юпитеру можно завершить за год, а до Марса долететь не за 7-8 месяцев, а за два. Правда, не в самом ближайшем будущем — на создание опытного образца компания привлекла финансирование от Airbus и других венчурных фирм и пока занимается подтверждением работоспособности концепции.
