29 управляемый термоядерный синтез: Термоядерный синтез в 30-е годы может стать практической реальностью / / Независимая газета

Термоядерный синтез в 30-е годы может стать практической реальностью / / Независимая газета

В проектах воссоздания в земных условиях процессов, протекающих на Солнце, участвуют десятки компаний

Тэги: энергетика, термоядерный синтез, термоядерный рпоект, итэр, атомная энергия, мифи

Так выглядит ИТЭР в разрезе. Фото Reutres

Глобальное потепление и повестка дня, связанная с борьбой с ним, доминируют в мире. При этом однако в тени интересов общества остается вопрос термоядерного синтеза, который в принципе решает все энергетические и климатические проблемы человечества. Атомная энергия – сначала это было расщепление ядра, а теперь слияние ядер – до сих пор остается главным шансом человечества на резкое сокращение выбросов парниковых газов в атмосферу до нуля к 2050 году, о чем сказал Фредерик Бордри, руководивший разработкой и строительством другой безумно сложной установки для проведения научных экспериментов – Большого адронного коллайдера в ЦЕРН, пишет британская Independnt.

«Когда мы говорим о стоимости ИТЭР, это мелочь по сравнению с его воздействием на процесс изменения климата, – добавил он. – Нам придется найти необходимые средства».

В ходе термоядерного синтеза энергия образуется, когда атомы водорода сливаются вместе, образуя более тяжелые элементы, такие как гелий. Технология считается самым чистым безуглеродным источником энергии, который может обеспечить весь мир дешевым теплом и электричеством и остановить негативные климатические изменения на Земле. Но технология требует работы с плазмой при температуре 200 млн градусов. Основная проблема заключалась в том, чтобы заставить плазму генерировать больше энергии, чем требуется для ее запуска.

Поэтому состоявшаяся в конце прошлого года пресс-конференция российских участников международного термоядерного проекта ИТЭР привлекала внимание прессы.

Реализация идеи

Прежде всего, наверное, стоит отметить, что данный проект предусматривает строительство реактора в ядерном центре Кадараш на юге Франции близ Марселя.

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor – проект международного экспериментального термоядерного реактора, который строится во Франции с 2007 года как прототип установок, в которых энергия будет вырабатываться в высокотемпературной плазме при синтезе изотопов водорода (то есть как следствие термоядерной реакции). Большая сложность и объемность проекта делают невозможной его реализацию отдельной страной, поэтому ИТЭР строится совместными усилиями стран ЕС, Китая, Индии, России, США, Южной Кореи и Японии. Цель проекта ИТЭР – создание реактора и разработка методов и условий формирования практически стационарного плазменного разряда, параметры которого будут способствовать интенсивной термоядерной реакции.

Одним из важнейших условий достижения цели проекта ИТЭР является разработка, производство и успешная эксплуатация ряда диагностических систем, часто основанных на новых методах, которые должны анализировать параметры плазмы, процессы, происходящие в ней, результаты плазменной обработки, взаимодействие со стенкой плазменной камеры и др. Во всех странах – участницах проекта разрабатываются различные системы диагностики. В России этим занимаются крупные научные центры «Курчатовский институт», ТРИНИТИ, НИИЭФА, НИКИЭТ и другие.

Этот проект является крупнейшим международным научно-исследовательским проектом в сфере ядерной физики. Он был начат в 80-х годах прошлого века с целью достижения фундаментального прорыва в сфере термоядерных и плазменных технологий и создания рабочего прототипа термоядерного реактора. С этой целью в те годы было подписано международное соглашение, в котором участвуют сегодня Россия, США, ЕС, Япония, КНР, Индия и Южная Корея. В основу реактора положена разработанная еще советскими учеными установка токамак, которая считается наиболее перспективным устройством для осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Идея использования управляемого термоядерного синтеза для промышленных целей в СССР была разработана советским физиком Олегом Лаврентьевым в середине 50-х годов. Работы по этому направлению велись советскими физиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом. Тут надо отметить, что имеется и другой тип реактора для подобных целей, который называется стеллатор и был изобретен американским физиком Лайманом Спитцером еще в 1950 году.

Для понимания проблемы отметим, что на Солнце осуществляется такой же синтез, но неуправляемый. Там идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий и каждую секунду около 4 млн т вещества превращаются в лучистую энергию, в результате чего генерируется солнечное излучение.

Первая плазма в реакторе ИТЭР должна быть получена в 2025 году. Токамак представляет собой тороидальную камеру с магнитными катушками для магнитного удержания плазмы, что позволит создать условия для протекания управляемого термоядерного синтеза. Идея состоит в том, чтобы получать неограниченное количество энергии при минимальных первоначальных энергозатратах. Другими словами, ТЭР, согласно расчетам ученых, сможет генерировать около 500 МВт мощности при затрачиваемых 50 МВт. Главное отличие термоядерного синтеза от современной ядерной энергетики состоит в том, что в ней осуществляется реакция распада, а не синтеза.

Как отмечает Independent, в отличие от существующих реакторов, работающих за счет деления ядер, которые дают радиоактивные отходы и порой становятся причиной катастрофических аварий, ядерный синтез, как утверждают его апологеты, может стать чистым и в буквальном смысле неиссякаемым источником энергии. Разумеется, если ученым и инженерам удастся освоить технологии ядерного синтеза – они бьются над решением этой задачи уже почти 100 лет.

В противовес расщеплению атомов ядерный синтез фактически повторяет процесс, который естественным образом происходит внутри звезд: два атома водорода сливаются друг с другом, в результате чего возникает атом гелия – и выделяется огромное количество энергии.

Чтобы такое слияние двух атомов произошло, требуется невообразимое количество тепла и чрезвычайно высокое давление. Один из способов этого достичь – превратить водород в ионизированный газ, то есть в плазму, которую помещают в специальную вакуумную камеру в форме пончика.

Это можно сделать с помощью мощных сверхпроводящих магнитов, таких как «центральный соленоид», который американская компания General Atomics начала переправлять из Сан-Диего во Францию летом этого года.

Ученые утверждают, что ИТЭР уже готов на 75%. Они намерены запустить реактор уже к началу 2026 года. Их конечная цель – произвести больше энергии, чем требуется для того, чтобы разогреть плазму, и доказать, что технология ядерного синтеза действительно жизнеспособна.

О термоядерных реакторах в последние годы говорят все больше. Все больше стран уже занимаются этим направлением либо строят свои установки. И большинство частных компаний ожидают, что первые соответствующие реакторы появятся в 2030-х годах. Но пока все термоядерные реакторы в мире потребляют больше энергии, чем выделяют.

Не так давно Ассоциацией термоядерной промышленности (Fusion Industry Association; FIA) и Управлением по атомной энергии Великобритании (UK Atomic Energy Authority; UKAEA) был опубликован прогноз о состоянии термоядерной энергетики в мире. В нем говорится, что во всем мире существует не менее 35 частных компаний, занимающихся термоядерным синтезом, большинство из которых сосредоточено в США и Европе. 12 компаний заявили, что они находятся на ранней стадии разработки или работают «в скрытом режиме» и поэтому не участвовали в отчете. Что касается остальных 23 компаний, 12 отметили, что они начали свою деятельность только в последние пять лет. 18 компаний из списка раскрыли данные о своем финансировании, и суммарно речь идет примерно о 1,8 млрд долл.

Согласно отчету, магнитное удержание, при котором магнитные поля используются для удержания высокотемпературной плазмы, является наиболее популярной технологией при постройке термоядерных реакторов. Хотя производство электроэнергии является основной целью для частных компаний, занимающихся термоядерным синтезом, почти половина компаний считают, что эта технология также может найти применение для космических двигателей, судовых двигателей и прочих промышленных задач.

Надо понимать, что ИТЭР представляет собой только один из проектов и наиболее продвинутые в научном плане страны работают в этом направлении и самостоятельно. В прессу просочились некоторые сведения о достигнутых в других странах уровнях.

Так, токамак EAST в Китае проработал 17 минут при температуре 70 млн градусов по Цельсию. Это является самым продолжительным временем работы подобного аппарата в мире. Термоядерный реактор в Китае установил рекорд устойчиво высоких температур, достигнув 70 млн градусов по Цельсию. Об этом пишет Independent. Как отмечает издание, конечная цель проекта состоит в выработке почти безграничной чистой энергии, имитирующей естественные реакции, происходящие внутри звезд. При этом для данного процесса не требуется ископаемое топливо и он не оставляет опасных отходов. Проект уже обошелся китайским властям более чем в 700 млрд фунтов стерлингов.В июне 2021 года китайские ученые побили рекорд, достигнув температуры плазмы 120 млн градусов Цельсия в течение 101 секунды и 160 млн градусов Цельсия в течение 20 секунд.Эксперимент EAST является частью проекта по созданию Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), в котором участвуют Китай, Индия, ЕС, Россия, США и другие страны.А американская компания Commonwealth Fusion Systems (CFS) начала строительство кампуса термоядерной энергии. Уникальный реактор SPARC будет размещен в местечке Девенс на северо-востоке штата Массачусетс, на бывшей базе Армии США, в 50 км к западу от Бостона. Там же построят корпоративные офисы компании и завод для промышленного производства аналогичных устройств.

«Впервые в истории мы на практике докажем, что термоядерный синтез может работать как чистый и безграничный источник энергии», – отметил генеральный директор CFS Боб Мумгаард.

Группа же ученых из Массачусетского технологического института (МТИ) вместе с одной частной компанией, сообщает Independent, объявили, что они тоже достигли важной стадии в разработке технологии ядерного синтеза: они успешно провели испытания самого сильного высокотемпературного сверхпроводящего магнита, который, возможно, позволит им обогнать команду ИТЭР в гонке за создание «солнца на Земле». Скорее всего в данном случае как раз идет речь о CFS. Команда МТИ утверждает, что ей удалось создать магнитное поле, которое в два раза сильнее поля ИТЭР, с помощью электромагнита, который в 40 раз меньше. Они сообщили, что, возможно, сумеют создать установку, готовую к широкому использованию, уже к началу 2030-х годов.

«Все это задумывалось как коммерческий проект, – сказала выдающаяся физик и вице-президент МТИ Мария Зубер. – Мы не рассчитывали на то, что это будет всего лишь научный эксперимент».

Предварительные итоги

Об итогах 29-го заседания совета ИТЭР, совместной работе стран-участниц над проектом, ключевых достижениях отечественных предприятий в его реализации и основных планах российской стороны на будущий год рассказали специальный представитель госкорпорации «Росатом» по международным и научно-техническим проектам Вячеслав Першуков, директор российского Агентства ИТЭР Анатолий Красильников и директор Института прикладной физики РАН Григорий Денисов.

В ходе пресс-конференции обсуждались итоги 29-го заседания совета ИТЭР, текущие результаты совместной работы стран-участниц над проектом, ключевые достижения отечественных предприятий в его реализации и основные планы российской стороны на будущий год. Вячеслав Першуков положительно охарактеризовал итоги прошедшего в ноябре заседания совета ИТЭР. Отвечая на вопросы журналистов, Вячеслав Першуков подчеркнул существенный прогресс в реализации проекта ИТЭР, а также сплоченность всех вовлеченных в его реализацию стран, равно как организаций и учреждений внутри России. По мнению Вячеслава Першукова, «прогресс на самом деле значительный. Сама площадка сооружения ИТЭР дает представление, что на ней сосредоточено большое количество и строительных, и технологических ресурсов, и все эти компании дружно работают над выдающимся проектом».

Директор российского Агентства ИТЭР Анатолий Красильников отметил ряд важнейших достижений кооперации российских участников проекта и поблагодарил их за масштабные результаты, полученные в 2021 году вопреки всем сложностям, связанным с пандемией. В своем обращении Анатолий Красильников сделал акцент на необходимости увеличить долю российских специалистов в Международной организации ИТЭР. «В этом смысле нам есть куда расти, эту цель мы видим», – сказал глава российского Агентства ИТЭР. – Мы связываем свои надежды с тем, что в России стартовала внутренняя программа по управляемому термоядерному синтезу, и это приведет к тому, что будет готовиться больше молодежи, будет расти ее квалификация».

Григорий Денисов напомнил, что одной из главных систем, за которые несет ответственность Россия в рамках проекта, являются восемь из 24 гиротронных комплексов. Их разработкой занимается Институт прикладной физики РАН, шесть из восьми комплексов уже изготовлены. Директор нижегородского института обратил особое внимание на то, что «работа по проекту ИТЭР привлекла молодых специалистов в Институт (прикладной физики РАН. – «НГ-энергия»). С точки зрения возраста ситуация в институте изменяется».

Вклад ученых МИФИ

В связи с пресс-конференцией заслуживает внимания анализ, опубликованный на сайте МИФИ, который существенно дополняет результаты пресс-конференции.

Работа ученых НИЯУ МИФИ над этой важнейшей для ИТЭР проблемой началась в 2013–2014 годах. Когда научная группа профессора Леона Беграмбекова (кафедра физики плазмы) предложила, а затем продемонстрировала электростатический метод удаления микроскопической металлической пыли из ИТЭР, создаваемой действием плазмы на стенки плазменной камеры и крайне негативно влияющей на параметры плазмы и безопасность установки. Развитие работы НИЯУ МИФИ по тематике ИТЭР активизировалось после подписания в 2016 году Меморандума об академическом и научном сотрудничестве между НИЯУ МИФИ и организацией ИТЭР. Научная группа, возглавлявшаяся тогда заведующим кафедрой физики плазмы профессором Валерием Курнаевым, разработала оригинальную методику поиска участков вакуумной камеры, где нарушена герметичность и откуда воздух попадает в вакуумную камеру.

Научная группа профессора Беграмбекова в течение 2017–2019 годов успешно выполнила три контракта на НИОКР с ИТЭР по комплексу задач диагностики плазмы. Также разработано и внедрено защитное покрытие для корпусов диагностических магнитных зондов; проведено экспериментальное исследование, определены причины и закономерности разрушающего воздействия плазмы на зеркала систем лазерной диагностики плазмы; решена комплексная задача ввода/вывода эндоскопа с электростатическим зондом из токамака.

В 2018 году Алексей Айрапетов, сотрудник НИЯУ МИФИ, провел шесть месяцев на площадке ИТЭР, работая над концепцией диагностической системы для сбора и анализа пыли токамаков.

Работа НИЯУ МИФИ по разработке метода и устройства для улавливания металлической пыли из ИТЭР продолжается в рамках трехлетнего контракта на создание электростатического зонда для ИТЭР, автоматизированной системы его ввода в токамак и удаление пыли из токамака. НИЯУ МИФИ выиграл тендер ИТЭР на этот контракт в 2019 году.

Благодаря высокому уровню научно-технической работы, выполняемой научным коллективом НИЯУ МИФИ, университет был приглашен штаб-квартирой ИТЭР для участия в тендере на разработку, изготовление, испытания и поставку в ИТЭР всего комплекса оборудования, входящего в состав Диагностической системы для сбора, извлечения и анализа металлической пыли, образующейся при работе ИТЭР. Приглашение НИЯУ МИФИ к участию в таком конкурсе вместе с ведущими мировыми научными организациями, несомненно, является признанием высокого потенциала ученых и специалистов университета.

В заключение важно отметить, что все страны, участвующие в проекте ИТЭР, – в том числе Соединенные Штаты, Россия, Китай, Япония, Индия, Южная Корея и множество европейских стран, – делят между собой расходы на его реализацию и все они могут пользоваться полученными научными данными и интеллектуальной собственностью. 

Управляемый термоядерный синтез | это… Что такое Управляемый термоядерный синтез?

Солнце — природный термоядерный реактор

Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий(²H) и тритий (³H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (³He) и бор-11 (¹¹B).

История проблемы

Впервые задачу по управляемому термоядерному синтезу в Советском Союзе сформулировал и предложил для неё некоторое конструктивное решение советский физик Лаврентьев О. А.^[1][2]. Кроме него важный вклад в решение проблемы внесли такие выдающиеся физики, как А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм^[1][2], а также Л. А. Арцимович, возглавлявший советскую программу по управляемому термоядерному синтезу с 1951 года.

Исторически вопрос управляемого термоядерного синтеза на мировом уровне возник в середине XX века. Известно, что И. В. Курчатов в 1956 году высказал предложение о сотрудничестве учёных-атомщиков разных стран в решении этой научной проблемы. Это произошло во время посещения Британского ядерного центра «Харуэлл» (англ.).

Типы реакций

Реакция синтеза заключается в следующем: два или больше атомных ядра в результате применения некоторой силы сближаются настолько, чтобы силы, действующие на таких расстояниях, преобладали над силами кулоновского отталкивания между одинаково заряженными ядрами, в результате чего формируется новое ядро. При создании нового ядра выделится большая энергия сильного взаимодействия. По известной формуле E=mc², высвободив энергию, система нуклонов потеряет часть своей массы. Атомные ядра, имеющие небольшой электрический заряд, проще свести на нужное расстояние, поэтому тяжелые изотопы водорода являются одними из лучших видов топлива для реакции синтеза.

Установлено, что смесь двух изотопов, дейтерия и трития, требует менее всего энергии для реакции синтеза по сравнению с энергией, выделяемой во время реакции. Однако, хотя смесь дейтерия и трития (D-T) является предметом большинства исследований синтеза, она в любом случае не является единственным видом потенциального горючего. Другие смеси могут быть проще в производстве; их реакция может надежнее контролироваться, или, что более важно, производить меньше нейтронов. Особенный интерес вызывают так называемые «безнейтронные» реакции, поскольку успешное промышленное использование такого горючего будет означать отсутствие долговременного радиоактивного загрязнения материалов и конструкции реактора, что, в свою очередь, могло бы положительно повлиять на общественное мнение и на общую стоимость эксплуатации реактора, существенно уменьшив затраты на вывод из эксплуатации и утилизацию. Проблемой остается то, что реакцию синтеза с использованием альтернативных видов горючего намного сложнее поддерживать, потому D-T реакция считается только необходимым первым шагом.

Схема реакции дейтерий-тритий

Управляемый термоядерный синтез может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива.

Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T)

Самая легко осуществимая реакция — дейтерий + тритий:

²H + ³H = ⁴He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ (мегаэлектронвольт).

Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты дешевы. Недостаток — выход нежелательной нейтронной радиации.

Два ядра: дейтерия и трития сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона:

Токамак (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками) — тороидальная установка для магнитного удержания плазмы. Плазма удерживается не стенками камеры, которые не способны выдержать её температуру, а специально создаваемым магнитным полем. Особенностью токамака является использование электрического тока, протекающего через плазму для создания тороидального поля, необходимого для равновесия плазмы.

Реакция дейтерий + гелий-3

Существенно сложнее, на пределе возможного, осуществить реакцию дейтерий + гелий-3

²H + ³He = ⁴He + p при энергетическом выходе 18,4 МэВ.

Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом. В промышленных масштабах в настоящее время не производится. Однако может быть получен из трития, получаемого в свою очередь на атомных электростанциях; или добыт на Луне.

Сложность проведения термоядерной реакции можно характеризовать тройным произведением nTτ (плотность на температуру на время удержания). По этому параметру реакция D-³He примерно в 100 раз сложнее, чем D-T.

Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо)

Также возможны реакции между ядрами дейтерия, они идут немного труднее реакции с участием гелия-3:

В дополнение к основной реакции в ДД-плазме также происходят:

Эти реакции медленно протекают параллельно с реакцией дейтерий + гелий-3, а образовавшиеся в ходе них тритий и гелий-3 с большой вероятностью немедленно реагируют с дейтерием.

Другие типы реакций

Возможны и некоторые другие типы реакций. Выбор топлива зависит от множества факторов — его доступности и дешевизны, энергетического выхода, лёгкости достижения требующихся для реакции термоядерного синтеза условий (в первую очередь, температуры), необходимых конструктивных характеристик реактора и т. д.

«Безнейтронные» реакции

Наиболее перспективны так называемые «безнейтронные» реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и порождает наведенную радиоактивность в конструкции реактора. Реакция дейтерий + гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода.

Реакции на лёгком водороде

Стоит отметить, что протон-протонные реакции синтеза, идущие в звёздах, не рассматриваются как перспективное термоядерное горючее. Протон-протонные реакции идут через слабое взаимодействие с излучением нейтрино, и по этой причине требуют астрономических размеров реактора для сколь-либо заметного энерговыделения.

p + p → ²D + e⁺ + ν_e + 0.4 Мэв

Условия

Ядерная реакция лития-6 с дейтерием ⁶Li(d,α)α

Управляемый термоядерный синтез возможен при одновременном выполнении двух условий:

• Скорость соударения ядер соответствует температуре плазмы:

T > 10⁸ K (для реакции D-T).

• Соблюдение критерия Лоусона:

nτ > 10¹⁴ см⁻³·с (для реакции D-T),

где n — плотность высокотемпературной плазмы, τ — время удержания плазмы в системе.

От значения этих двух критериев в основном зависит скорость протекания той или иной термоядерной реакции.

В настоящее время (2012) управляемый термоядерный синтез ещё не осуществлён в промышленных масштабах. Строительство международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) находится в начальной стадии.

Термоядерная энергетика и гелий-3

Запасы гелия-3 на Земле составляют в атмосфере около 50 000 т^{[источник не указан 619 дней]} и гораздо больше в литосфере, на Луне он находится в значительном количестве: до 10 млн тонн (по минимальным оценкам — 500 тысяч тонн^{[источник не указан 683 дня]}). В то же время его можно легко получать и на Земле из широко распространённого в природе лития-6 на существующих ядерных реакторах деления.

Наиболее простым способом осуществления термоядерной реакции является синтез дейтерия и трития с выделением гелия-4 и «быстрого» нейтрона:

D + T → ⁴He (3,5 МэВ) + n (14,1 МэВ).

Однако при этом бо́льшая часть (более 80 %) выделяемой кинетической энергии приходится именно на нейтрон. В результате столкновений осколков с другими атомами эта энергия преобразуется в тепловую. Помимо этого, быстрые нейтроны создают значительное количество радиоактивных отходов. В отличие от этого, синтез дейтерия и гелия-3 почти не производит радиоактивных продуктов:

D + ³He → ⁴He (3,7 МэВ) + p (14,7 МэВ), где p — протон.

Это позволяет использовать более простые и эффективные системы преобразования кинетической реакции синтеза, такие как магнитогидродинамический генератор.

Конструкции реакторов

Существуют две принципиальные схемы осуществления управляемого термоядерного синтеза, разработки которых продолжаются в настоящее время (2012):

1. Квазистационарные системы () в которых нагрев и удержание плазмы осуществляется магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре. Для этого применяются реакторы в виде токамаков, стеллараторов (торсатронов) и зеркальных ловушек, которые отличаются конфигурацией магнитного поля. К квазистационарным реакторам относится реактор ITER, имеющий конфигурацию токамака.
2. Импульсные системы (). В таких системах управляемый термоядерный синтез осуществляется путем кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными лазерными лучами или пучками высокоэнергичных частиц (ионов, электронов). Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.

Первый вид термоядерных реакторов намного лучше разработан и изучен, чем второй.

В ядерной физике, при исследованиях термоядерного синтеза, для удержания плазмы в некотором объёме используется магнитная ловушка — устройство, удерживающее плазму от контакта с элементами термоядерного реактора. Магнитная ловушка используется в первую очередь как теплоизолятор. Принцип удержания плазмы основан на взаимодействии заряженных частиц с магнитным полем, а именно на спиральном вращении заряженных частиц вдоль силовых линий магнитного поля. Однако, намагниченная плазма очень нестабильна. В результате столкновений заряженные частицы стремятся покинуть магнитное поле. Поэтому для создания эффективной магнитной ловушки используются мощные электромагниты, потребляющее огромное количество энергии или применяющие сверхпроводники.^{[источник не указан 752 дня]}

Радиационная безопасность

Термоядерный реактор намного безопаснее ядерного реактора в радиационном отношении. Прежде всего, количество находящихся в нем радиоактивных веществ сравнительно невелико. Энергия, которая может выделиться в результате какой-либо аварии, тоже мала и не может привести к разрушению реактора. При этом в конструкции реактора есть несколько естественных барьеров, препятствующих распространению радиоактивных веществ. Например, вакуумная камера и оболочка криостата должны быть герметичными, иначе реактор просто не сможет работать. Тем не менее, при проектирования ITER большое внимание уделялось радиационной безопасности как при нормальной эксплуатации, так и во время возможных аварий.

Есть несколько источников возможного радиоактивного загрязнения:

• радиоактивный изотоп водорода — тритий;
• наведённая радиоактивность в материалах установки в результате облучения нейтронами;
• радиоактивная пыль, образующаяся в результате воздействия плазмы на первую стенку;
• радиоактивные продукты коррозии, которые могут образовываться в системе охлаждения.

Для того, чтобы предотвратить распространение трития и пыли, если они выйдут за пределы вакуумной камеры и криостата, необходима специальная система вентиляции которая должна поддерживать в здании реактора пониженное давление. Поэтому из здания не будет утечек воздуха, кроме как через фильтры вентиляции.

При строительстве реактора, ITER например, где только возможно, будут применяться материалы, уже испытанные в ядерной энергетике. Благодаря этому, наведённая радиоактивность будет сравнительно небольшой. В частности, даже в случае отказа систем охлаждения, естественной конвекции будет достаточно для охлаждения вакуумной камеры и других элементов конструкции.

Оценки показывают, что даже в случае аварии радиоактивные выбросы не будут представлять опасности для населения и не вызовут необходимости эвакуации.

Цикл топлива

Реакторы первого поколения будут, вероятнее всего, работать на смеси дейтерия и трития. Нейтроны, которые появляются в процессе реакции, поглотятся защитой реактора, а выделяющееся тепло будет использоваться для нагревания теплоносителя в теплообменнике, и эта энергия, в свою очередь, будет использоваться для вращения генератора.

.

.

Реакция с ⁶Li является экзотермической, обеспечивая получение небольшой энергии для реактора. Реакция с ⁷Li является эндотермической — но не потребляет нейтронов^[4]. По крайней мере, некоторые реакции ⁷Li необходимы для замены нейтронов, потерянных в реакции с другими элементами. Большинство конструкций реактора используют естественные смеси изотопов лития.

Это топливо имеет ряд недостатков:

• Реакция продуцирует значительное количество нейтронов, которые активируют (радиоактивно заражают) реактор и теплообменник. Нейтронное облучение во время D-T реакции настолько велико, что после первой серии тестов на JET, наибольшем реакторе на сегодняшний день на таком топливе, реактор стал настолько радиоактивным, что для завершения годового цикла тестов пришлось разработать роботизированную систему дистанционного обслуживания.^{[источник не указан 1095 дней]}
• Требуются мероприятия для защиты от возможного истока радиоактивного трития.
• Только около 20 % энергии синтеза выделяется в форме заряженных частиц (остальное — нейтроны), что ограничивает возможность прямого превращения энергии синтеза в электроэнергию^[5].
• Использование D-T реакции зависит от имеющихся запасов лития, которые значительно меньше чем запасы дейтерия.

Существуют, в теории, альтернативные виды топлива, которые лишены указанных недостатков. Но их использованию препятствует фундаментальное физическое ограничение. Чтобы получить достаточное количество энергии из реакции синтеза, необходимо удерживать достаточно плотную плазму при температуре синтеза (10⁸ K) на протяжении определенного времени. Этот фундаментальный аспект синтеза описывается произведением плотности плазмы n на время содержания нагретой плазмы τ, что требуется для достижения точки равновесия. Произведение nτ зависит от типа горючего и является функцией температуры плазмы. Из всех видов горючего дейтерий-тритиевая смесь требует самого низкого значения nτ, по меньшей мере на порядок, и самую низкую температуру реакции, по меньшей мере в 5 раз. Таким образом, D-T реакция является необходимым первым шагом, однако использование других видов горючего остается важной целью исследований.^{[источник не указан 752 дня]}

Реакция синтеза в качестве промышленного источника электроэнергии

Энергия синтеза рассматривается многими исследователями (в частности, Кристофером Ллуэллин-Смитом) в качестве «естественного» источника энергии в долгосрочной перспективе. Сторонники коммерческого использования термоядерных реакторов для производства электроэнергии приводят следующие аргументы в их пользу:

• Практически неисчерпаемые запасы топлива (водород).
• Топливо можно добывать из морской воды на любом побережье мира, что делает невозможным монополизацию топливных ресурсов одной или группой стран.
• Минимальная вероятность аварийного взрывного увеличения мощности реакции в термоядерном реакторе.
• Отсутствие продуктов сгорания.
• Нет необходимости использовать материалы, которые могут быть использованы для производства ядерных взрывных устройств, таким образом исключается возможность саботажа и терроризма.^{[источник не указан 1095 дней]}
• По сравнению с ядерными реакторами вырабатываются радиоактивные отходы с коротким периодом полураспада^[6].

• С помощью вычислений можно провести оценку, что наперсток, наполненный дейтерием, производит энергию, эквивалентную 20 тоннам угля. Озеро среднего размера в состоянии обеспечить любую страну энергией на сотни лет. Однако следует заметить, что существующие исследовательские реакторы спроектированы для достижения прямой дейтериево-тритиевой (DT) реакции, цикл топлива которой требует использования лития для производства трития, тогда как заявления о неисчерпаемости энергии касаются использования дейтериево-дейтериевой (DD) реакции во втором поколении реакторов.^{[источник не указан 1095 дней]}
• Так же, как и реакция распада, реакция синтеза не производит углекислотных выбросов в атмосферу, являющихся, по мнению многих специалистов, главным вкладом в глобальное потепление. Это является значительным преимуществом, поскольку использование ископаемых топлив для производства электроэнергии имеет своим следствием то, что, например, в США производится 29 кг CO₂ (один из основных газов, которые могут считаться причиной глобального потепления) на жителя США в день.^{[источник не указан 1095 дней]}
• В отличие от неядерных электростанций на возобновляемых источниках энергии, термоядерные реакторы можно устанавливать где угодно (в том числе на транспорте: суда, самолёты и даже автомобили), в каких угодно количествах и без серьёзного вреда для окружающей среды (затопления водохранилищ, поражение птиц лопастями ветровых электростанций…). ^{[источник не указан 1095 дней]}
• В космосе же они вовсе незаменимы, так как дальше пояса астероидов и, тем более, на ночных сторонах планет солнечные батареи неэффективны, химические топлива неприменимы вовсе, традиционное ядерное топливо есть далеко не везде, а вот водород в изобилии.^{[источник не указан 1095 дней]}

Стоимость электроэнергии в сравнении с традиционными источниками

Критики указывают, что вопрос о рентабельности ядерного синтеза в производстве электроэнергии в общих целях остается открытым. В том же исследовании, проведённом по заказу Бюро науки и техники британского парламента, указывается, что себестоимость производства электроэнергии с использованием термоядерного реактора будет, вероятно, в верхней части спектра стоимости традиционных источников энергии. Много будет зависеть от доступной в будущем технологии, структуры и регулирования рынка. Стоимость электроэнергии напрямую зависит от эффективности использования, длительности эксплуатации и стоимости утилизации реактора^[7].

Отдельно стоит вопрос стоимости исследований. Страны Евросоюза тратят около 200 млн евро ежегодно на исследования, и прогнозируется, что нужно еще несколько десятилетий, пока промышленное использование ядерного синтеза станет возможным. Сторонники альтернативных неядерных источников электроэнергии считают, что было бы целесообразнее направить эти средства на внедрение возобновляемых источников электроэнергии.^{[источник не указан 1095 дней]}

Доступность коммерческой энергии ядерного синтеза

Несмотря на распространённый оптимизм (с начала первых исследований 1950-х годов), существенные препятствия между сегодняшним пониманием процессов ядерного синтеза, технологическими возможностями и практическим использованием ядерного синтеза до сих пор не преодолены. Неясным является даже то, насколько может быть рентабельным производство электроэнергии с использованием термоядерного синтеза. Хотя наблюдается постоянный прогресс в исследованиях, исследователи то и дело сталкиваются с новыми проблемами. Например, проблемой является разработка материала, способного выдержать нейтронную бомбардировку, которая, как оценивается, должна быть в 100 раз интенсивнее, чем в традиционных ядерных реакторах. Тяжесть проблемы усугубляется тем, что сечение взаимодействия нейтронов с ядрами с ростом энергии перестаёт зависеть от числа протонов и нейтронов и стремится к сечению атомного ядра — и для нейтронов энергии 14 МэВ просто не существует изотопа с достаточно малым сечением взаимодействия. Это обуславливает необходимость очень частой замены конструкций D-T и D-D реактора и снижает его рентабельность настолько, что стоимость конструкций реакторов из современных материалов для этих двух типов оказывается больше стоимости произведённой на них энергии. Решения возможны трёх типов^{[источник не указан 752 дня]}:

1. Отказ от чистого ядерного синтеза и употребление его в качестве источника нейтронов для деления урана или тория.
2. Отказ от D-T и D-D синтеза в пользу других реакций синтеза (например D-He).
3. Резкое удешевление конструкционных материалов или разработка процессов их восстановления после облучения. Требуются также гигантские вложения в материаловедение, но перспективы неопределённые.

Побочные реакции D-D (3 %) при синтезе D-He осложняют изготовление рентабельных конструкций для реактора, но не невозможны на современном технологическом уровне.

Различают следующие фазы исследований:

1. Равновесие или режим «перевала» (Break-even): когда общая энергия, выделяемая в процессе синтеза, равна общей энергии, затраченной на запуск и поддержку реакции. Это соотношение помечают символом Q.

2. Пылающая плазма (Burning Plasma): промежуточный этап, на котором реакция будет поддерживаться главным образом альфа-частицами, которые продуцируются в процессе реакции, а не внешним подогревом. Q ≈ 5. До сих пор (2012) не достигнут.

3. Воспламенение (Ignition): стабильная самоподдерживающаяся реакция. Должна достигаться при больших значениях Q. До сих пор не достигнуто.

Макет реактора ITER. Масштаб 1:50

Следующим шагом в исследованиях должен стать Международный термоядерный экспериментальный реактор (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER). На этом реакторе планируется провести исследование поведения высокотемпературной плазмы (пылающая плазма с Q ~ 30) и конструктивных материалов для промышленного реактора.

Окончательной фазой исследований станет DEMO: прототип промышленного реактора, на котором будет достигнуто воспламенение, и продемонстрирована практическая пригодность новых материалов. Самые оптимистичные прогнозы завершения фазы DEMO: 30 лет. Учитывая ориентировочное время на построение и введение в эксплуатацию промышленного реактора, нас отделяет ~40 лет от промышленного использования термоядерной энергии.^{[источник не указан 1095 дней]}

Существующие токамаки

Всего в мире было построено около 300 токамаков. Ниже перечислены наиболее крупные из них.

• СССР и Россия
  • Т-3 — первый функциональный аппарат.
  • Т-4 — увеличенный вариант Т-3
  • Т-7 — уникальная установка, в которой впервые в мире реализована относительно крупная магнитная система со сверхпроводящим соленоидом на базе ниобата олова, охлаждаемого жидким гелием. Главная задача Т-7 была выполнена: подготовлена перспектива для следующего поколения сверхпроводящих соленоидов термоядерной энергетики.
  • Т-10 и PLT — следующий шаг в мировых термоядерных исследованиях, они почти одинакового размера, равной мощности, с одинаковым фактором удержания. И полученные результаты идентичны: на обоих реакторах достигнута заветная температура термоядерного синтеза, а отставание по критерию Лоусона — всего в двести раз.
  • Т-15 — реактор сегодняшнего дня со сверхпроводящим соленоидом, дающим поле напряжённостью 3,6 Тл.

• Ливия
  • ТМ-4А

• Европа и Великобритания
  • Joint European Torus^[8] — самый крупный в мире действующий токамак, созданный организацией Евратом в Великобритании. В нём использован комбинированный нагрев: 20 МВт — нейтральная инжекция, 32 МВт — ионно-циклотронный резонанс. В итоге, критерий Лоусона лишь в 4—5 раз ниже уровня зажигания.
  • Tore Supra^[9] — токамак со сверхпроводящими катушками, один из крупнейших в мире. Находится в исследовательском центре Кадараш (Франция).

• США
  • Test Fusion Tokamak Reactor (TFTR)^[10] — крупнейший токамак США (в Принстонском университете) с дополнительным нагревом быстрыми нейтральными частицами. Достигнут высокий результат: критерий Лоусона при истинно термоядерной температуре всего в 5,5 раза ниже порога зажигания. Закрыт в 1997 г.
  • National Spherical Torus Experiment (NSTX)^[11]  — сферический токамак (сферомак) работающий в настоящее время в Принстонском университете. Первая плазма в реакторе получена в 1999 году, через два года после закрытия TFTR.
  • Alcator C-Mod^[12] — один из трех крупнейших токамаков в США (два других — NSTX и DIII-D), Alcator C-Mod характеризуется самым высоким магнитным полем и давлением плазмы в мире. Работает с 1993 года.
  • DIII-D^[13] — токамак США, созданный и работающий в компании General Atomic в Сан-Диего.

• Япония
  • JT-60^[14] — крупнейший японский токамак, работающий в Японском институте исследований атомной энергии (англ.) с 1985 года.

• Китай
  • EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) — Экспериментальный усовершенствованный сверхпроводимый токамак. Является глубокой модернизацией Российского токамака HT-7. Работает в рамках международного проекта ITER. Первые успешные испытания были проведены летом 2006 года. Принадлежит Институту физики плазмы Китайской академии наук. Расположен в городе Хэфэй, провинции Аньхой. На этом реакторе в 2007 году был проведён^[15] первый в мире «безубыточный» термоядерный синтез, с точки зрения соотношения затраченной/полученной энергии. На данный момент это соотношение составляет 1:1,25. В ближайшем будущем планируется довести это соотношение до 1:50. ^[16]

Ссылки

• Е.П. Велихов; С.В. Мирнов Управляемый термоядерный синтез выходит на финишную прямую (PDF). Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований. Российский научный центр «Курчатовский институт».. ac.ru. — Популярное изложение проблемы.. Архивировано из первоисточника 5 февраля 2012. Проверено 8 августа 2007.
• К. Ллуэллин-Смит. На пути к термоядерной энергетике. Материалы лекции, прочитанной 17 мая 2009 года в ФИАНе.
• Грандиозный эксперимент по термоядерному синтезу проведут в США.

Интересные факты

• В фильме «Человек-паук 2» в результате неудачного проведения реакции термоядерного синтеза Отто Октавиус попадает под влияние своих щупалец, в результате чего становится зловещим Доктором Осьминогом.^[17]

См. также

• Инерциальный управляемый термоядерный синтез
• Мюонный катализ
• Холодный термоядерный синтез
• Сонолюминесценция
• Ультразвуковой термояд
• Нуклеосинтез
• Ядерные реакции
• Термоядерный ракетный двигатель
• Адронный коллайдер
• Список новых перспективных технологий

Примечания

1. ↑ ^{1 2} Бондаренко Б. Д. «Роль О. А. Лаврентьева в постановке вопроса и инициировании исследований по управляемому термоядерному синтезу в СССР» // УФН 171, 886 (2001).
2. ↑ ^{1 2} Отзыв А. Д. Сахарова, опубликованный в разделе «Из Архива Президента Российской Федерации». УФН 171, 902 (2001), стр. 908.
3. ↑ В ранних термоядерных боеприпасах США использовался также и дейтерид природного лития, содержащего в основном изотоп лития с массовым числом 7. Он также служит источником трития, но для этого нейтроны, участвующие в реакции, должны иметь энергию 10 МэВ и выше.
4. ↑ Термоядерные электростанции безнейтронного цикла (например, D + ³He → p + ⁴He + 18,353 МэВ) c МГД-генератором на высокотемпературной плазме;
5. ↑ Е. П. Велихов, С. В. Путвинский Термоядерный реактор. Fornit (22 октября 1999 года). — Доклад от 22.10.1999, выполненный в рамках Energy Center of the World Federation of Scientists. Архивировано из первоисточника 5 февраля 2012. Проверено 16 января 2011.
6. ↑  (англ.) Postnote: Nuclear Fusion, 2003
7. ↑ EFDA | European Fusion Development Agreement
8. ↑ Tore Supra
9. ↑ Tokamak Fusion Test Reactor
10. ↑ Princeton Plasma Physics Laboratory Overview
11. ↑ MIT Plasma Science & Fusion Center: research>alcator>
12. ↑ Home — Fusion Website
13. ↑ Fusion Plasma Research
14. ↑ The Artificial Sun-中安在线-english
15. ↑ Термояд вышел из нуля — Газета. Ru
16. ↑ Информация о фильме «Человек-паук 2» («Spider-Man 2») — Кинотеатр «Космос»

Как укротить термоядерный синтез и зачем он нам нужен? / Хабр

Мы уже писали о неожиданных и примечательных идеях и разработках в области получения энергии от ядерного распада. А также о том, что приходится делать, когда с ядерными реакторами что-то идёт не так. Свобода, как известно, лучше несвободы, а синтез — лучше распада. Именно так подумали учёные ещё сто лет назад, когда сделали первые шаги по укрощению термоядерного синтеза. В этой статье мы кратко расскажем, что такое термоядерный синтез, на каком этапе находятся научные разработки и когда стоит ждать внедрения нового способа добычи энергии. В конце концов, именно за этим он и нужен человечеству.

Staring at the Sun: история открытия термоядерного синтеза

С развитием науки человечество начало задаваться вопросом о том, как работает Солнце, почему не гаснет и продолжает выделять тепло и свет. Ещё в двадцатых годах прошлого века — почти сто лет назад — британский учёный Артур Стэнли Эддингтон выступал с идеями протон-протонного цикла, то есть совокупности термоядерных реакций, в ходе которых водород в звёздах превращается в гелий. И сопутствует этой реакции выделение колоссальных объёмов энергии, что легко можно ощутить, просто выйдя на улицу в солнечный день.

Чуть позже, уже в тридцатые годы, учёные из Кембриджского университета под руководством австралийца Марка Олифанта в результате ряда экспериментов обнаружили нуклоны (общее название составляющих атомное ядро протонов и нейтронов) гелия-3 и трития, принимающие участие в этих реакциях, а их немецкий коллега, Ханс Бете, получил Нобелевскую премию по физике за вклад в теорию ядерных реакций и, особенно, за открытия, касающиеся источников энергии звёзд. Уже в 1946 году сэр Джордж Паджет Томсон и Моисей Блэкман описали и запатентовали идею Z-pinch, то есть системы удержания плазмы при помощи магнитного поля или «магнитной ловушки», которая легла в основу дальнейших экспериментов по созданию первых устройств управляемого термоядерного синтеза.

Лабораторная магнитная ловушка, фото: Sandpiper / Wikimedia Commons

Бесконечная мощь: преимущества, недостатки и препятствия для реализации

От истории перейдём к общей теории. Управляемый термоядерный синтез — это процесс получения более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью (в теории) использования выделяемой энергии для добычи электричества. По своей сути он противоположен реакции распада, которая применяется в традиционной ядерной энергетике. В основном для проведения реакции термоядерного синтеза используются дейтерий и тритий (так называемая реакция D-T), хотя также возможны варианты с дейтерием и гелием-3, между ядрами дейтерия (D-D) и другими сочетаниями изотопов.

Сами по себе атомные ядра взаимодействуют не особо охотно из-за «кулоновского барьера», то есть силы электростатического отталкивания между ними. Чтобы преодолеть её и начать реакцию в земных условиях, вещество необходимо нагреть до достаточно высокой температуры, причём речь в данном случае идёт о сотнях миллионов градусов. Именно от этого процесса термоядерный синтез и получил своё название. Сочетание дейтерия и трития в данном случае требует «минимальной» температуры для начала реакции (тех самых 100 млн градусов), поэтому в экспериментальных установках оно используется чаще всего.

Реакция термоядерного синтеза D-T. Источник: Toshiba Energy Systems &Solutions Corporation

Также в ходе реакции появляется большое количество нейтронов, но об их значении поговорим чуть ниже, а сперва постараемся пояснить, почему коммерческое применение этого процесса вообще будоражит умы человечества последние 70 лет. Итак, преимущества управляемого термоядерного синтеза:

1. Сравнительная доступность изотопов для реакции. Дейтерий достаточно легко можно получить из морской воды, запасов которой на Земле более чем достаточно. Тритий в природе не встречается, так как имеет период полураспада всего в 12,3 года, но его получают из лития-6 и тяжёлой воды ядерных реакторов, от использования которых мы в ближайшие годы отказаться не готовы.
2. Колоссальная энергоэффективность реакции — при сжигании, например, 1 грамма угля выделяется 34 тысячи джоулей энергии, а газа или нефти — 44 тысячи. Слияние атомов дейтерия и трития даёт 17,6 МэВ (мегаэлектронвольт), то есть около 170 млрд джоулей тепла в пересчёте на 1 грамм массы вещества.
3. Электростанции на базе управляемой термоядерной реакции из-за особенностей конструкции не должны способствовать увеличению «парникового» эффекта, то есть производить парниковые газы, угарный газ и пылевые облака — выгодное отличие от, например, ТЭС.
4. Так же выгодно эти электростанции должны отличаться от АЭС, так как термоядерный реактор намного безопаснее. Реакция синтеза требует огромных затрат энергии и в земных условиях не может бесконечно длиться без подпитки извне. Это значит, что даже в случае аварии и повреждения оболочки мы не столкнёмся с расплавлением, радиоактивным заражением всего и вся на многие километры вокруг, а также с цепной реакцией или взрывом.

К тому же, при термоядерном синтезе не выделяются вещества, которые впоследствии возможно использовать для изготовления «грязного» оружия.

Токамак JET, фото: EFDA JET / Wikimedia Commons

Но почему же тогда сам принцип управляемого термоядерного синтеза, разработанный в середине прошлого века, до сих пор не реализован на практике либо реализован только в качестве экспериментальных установок, которые так и не начали производить электроэнергию? Давайте рассмотрим недостатки и ограничения этого процесса.

Сперва вернёмся к нашим нейтронам. В процессе реакции с применением D-T образуется нейтронный поток, который бомбардирует стенки защитной оболочки реактора. В результате мы имеем дело с так называемой «наведённой» радиацией, которая сильно усложняет обслуживание оборудования и, вполне возможно, приведёт к необходимости его периодической замены, так как со временем от бомбардировки нейтронами материалы становятся не только радиоактивными, но и хрупкими. Для решения этой проблемы предлагается использовать малочувствительные к радиации материалы, которые прослужат дольше, но их применение увеличит и без того колоссальные расходы на постройку электростанций термоядерного синтеза. Также рассматривается применение других действующих веществ, чтобы получить «безнейтронные» реакции, но о требованиях к плотности и температуре реакции для них мы уже говорили выше.

Ещё при текущем уровне развития технологий учёные и инженеры не могут добиться того, чтобы расход энергии на нагрев и доведение вещества в реакторе до состояния плазмы, а затем на поддержание его в этом состоянии, несмотря на постоянную потерю тепла (а также на охлаждение системы, работу электромагнитов и других подсистем), упал ниже, чем количество выделяемой в ходе реакции энергии. Например, британский токамак JET достиг соотношения между поступающей и отдаваемой энергией всего в 67%, то есть 0,67 Q. Q — показатель, который выражает отношение количеств затраченной и полученной в такой системе энергии, и для того, чтобы реакция термоядерного синтеза считалась самоподдерживающейся, он должен быть равен хотя бы 5, а для выработки полезных мощностей — намного выше. На сегодняшний день реакторов с таким значением в мире не существует.

Финальным вопросом, конечно, является окупаемость и стоимость. Чтобы добиться точной имитации реакций внутри Солнца, недостаточно просто взять тритий и дейтерий и поднести к ним условную спичку. Реактор термоядерного синтеза — это невероятно сложная, громоздкая и дорогая конструкция, в которой нашлось место массивной системе охлаждения, огромному количеству электромагнитов разных типов и даже собственным электростанциям.

По оценкам, расходы на строительство экспериментального токамака ITER (о нём ниже), которое ещё не завершено, могут превысить 20 млрд долларов. При этом реактор вообще не рассчитан на производство электроэнергии, то есть единственной прибылью от эксплуатации ITER будет опыт совместной работы учёных и экспериментальные данные.

Практическая магия: основные типы конструкции и вехи их развития

Условно установки для управляемого термоядерного синтеза можно разделить на четыре типа: токамаки, стеллараторы, зеркальные ловушки и импульсные системы. На их примере мы предлагаем рассмотреть как развитие идей, которые в дальнейшем могут привести к производству электроэнергии при помощи термоядерного синтеза, так и «тупиковые» ветви, которые по тем или иным причинам в ближайшие годы (или никогда) не выйдут за рамки теории и экспериментов.

Токамак — это сокращение от «тороидальная камера с магнитными катушками», каковая камера — главный элемент реактора, который служит для удержания плазмы. Намотанные вокруг камеры реактора магнитные катушки в данном случае применяются для того, чтобы создать специальное поле, удерживающее плазму от соприкосновения с её стенками, чего современные теплоизолирующие материалы просто не выдержали бы. В то же время через саму плазму также пропускается ток, который служит и для её нагрева, и для создания полоидального магнитного поля. В современных условиях это поле не может существовать дольше нескольких секунд, а без него плазма теряет свою стабильность, поэтому говорить о применении токамаков для постоянного производства электроэнергии ещё рано, хотя поддерживать ток более длительное время можно при помощи микроволнового излучения или введения в плазму нейтральных атомов дейтерия/трития.

Токамак KSTAR, Южная Корея, фото: Michel Maccagnan / Wikimedia Commons

Идеи токамаков впервые описали в Советском Союзе ещё в 50-х годах прошлого века, а первый такой реактор был построен в Курчатовском институте в 1954 году. Долгое время токамаки оставались чисто советской разработкой, но в 1970-х британские учёные подтвердили рекордные результаты разогрева плазмы, достигнутые на советском токамаке Т-3, и технологией заинтересовались по всему миру.

На сегодняшний день токамаки считаются наиболее перспективной разработкой, и в мире их количество превышает количество установок других типов. Среди достижений в этой сфере стоит отметить китайский EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, построен при поддержке РФ), который достиг в 2018 году температуры плазмы в 100 млн градусов, европейский JET (Joint European Toru), который находится в Великобритании и считается крупнейшим токамаком в мире, а также уже упомянутый выше ITER, на котором остановимся более подробно.

Схема токамака ITER. Источник: Oak Ridge National Laboratory — ITER Tokamak and Plant Systems (2016) / Wikimedia Commons

Идея постройки ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, международный термоядерный экспериментальный реактор) обсуждалась ещё в 1985 году, на встрече Рональда Рейгана и Михаила Горбачева, но реальное строительство началось только в 2010 году. В работе над реактором принимают участие множество стран, включая Японию, государства ЕС, Россию, США, Южную Корею, Китай и Индию. Итогом совместного проекта станет гигантское сооружение весом в 23 000 тонн, которое сместит JET с пьедестала самого крупного токамака на планете и теоретически будет способно довести показатель Q до 30, хотя создатели ITER не ставят перед собой цель добиться выработки электроэнергии — задача токамака окончательно доказать саму возможность использования термоядерного синтеза в этой сфере и проложить «путь» (именно так переводится с латыни сокращённое название реактора) для DEMO, первого токамака с «положительным» балансом, который запустится не раньше середины XXI века.

На долю Японии в проекте ITER выпали разработка и производство одного из важнейших элементов — сверхпроводящих катушек, необходимых для формирования магнитного поля вокруг камеры реактора. В частности, компания Toshiba занимается разработкой конструкции гигантских 16,5-метровых катушек для тороидального поля, которые весят около 300 тонн. При этом необходимо соблюдать крайне строгие допуски на размеры каждой детали — всего в несколько миллиметров — поэтому большим подспорьем становятся технологии и методы, изобретённые во время работы над японскими экспериментальными токамаками, JT-60 и JT-60SA.

Стеллараторы (от лат. stella — «звезда») получили своё название из-за схожести процессов в реакторе с теми, что происходят внутри звёзд. Первый образец был построен в 1951 году в США под руководством его изобретателя, Лаймана Спитцера. Основное отличие стеллараторов от токамаков заключается в конструкции магнитной ловушки: в стеллараторах для удержания плазмы в камере применяется только внешние катушки, которые создают силовые линии, вращающиеся вокруг камеры. Такая конструкция теоретически позволяет использовать магнитную ловушку в непрерывном режиме. В стеллараторах, как и в токамаках практически всегда применяется смесь дейтерия и трития, которая вводится в вакуумный сосуд камеры. В современных вариантах конструкции отказались от камеры в форме обычного тора в пользу сложных моделей, созданных с применением компьютерного моделирования. Их цель — добиться максимальной эффективности удержания плазмы.

Стелларатор Wendelstein 7-X. Источник: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Tino Schulz / Wikimedia Commons

Несмотря на возможность непрерывного воздействия на плазму и изменённую конструкцию камеры стеллараторы не получили такого широкого распространения, как токамаки. В первую очередь это связано с большей сложностью конструкции и меньшей их эффективностью в современных условиях. Wendelstein 7-X, построенный в г. Грайфсвальд в Германии в 2015 году стал крупнейшим стелларатором в мире и своеобразной «эпитафией» этой разработке. По расчётам учёных он должен был довести время непрерывного воздействия электромагнитов на плазму до 30 минут, чтобы продемонстрировать возможность использования стеллараторов для долгосрочной генерации электроэнергии. При этом в 2018 году в ходе эксперимента температуру плазмы удалось поднять только до 40 000 градусов Цельсия, а время работы — довести до 100 секунд. Следующие испытания запланированы на 2021 год.

Импульсные системы — этот тип установок для управляемого термоядерного синтеза остаётся по большей части теоретической разработкой. Ещё академик Андрей Сахаров в 1960 году доказал, что термоядерный синтез возможен без использования магнитных ловушек, предложив противоположный классическому подход. В данном случае речь идёт не о сверхразреженной плазме, которую электромагнитные поля удерживают на месте долгое время, а о сверхплотном (и крайне недолговечном) её варианте. Миниатюрные «мишени» с замороженным D-T составом в импульсных системах предлагается взрывать при помощи мощных лазеров или пучков излучения, чтобы добиться своеобразного аналога взрывов топлива в бензиновых двигателях, только на уровне термоядерных реакций. Такая система с периодическими взрывами может обеспечить почти непрерывную цепочку из термоядерных реакций, вырабатывающих энергию, при этом (в теории) не повреждая оболочку реактора.

Лазерный ангар NIF/ Источник: Lawrence Livermore National Laboratory, Lawrence Livermore National Security, LLC, and the Department of Energy — National Ignition Facility / Wikimedia Commons

Из существующих разработок в этой сфере стоит упомянуть проект MagLIF и установки NIF (National Ignition Facility, или Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций) Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии. Несмотря на сохраняющийся потенциал этой идеи в 2012 году правительство США планировало прекратить финансирование программы из-за мизерных практических результатов. По состоянию на сегодняшний день эксперименты продолжаются, но сложность самих «мишеней» и необходимость регулярной доставки их в камеру, в которой затем происходит взрыв, эквивалентный тонне тротила, оставляют этот тип установок далеко позади токамаков и стеллараторов по уровню практичности.

Зеркальные ловушки — первый эксперимент с использованием «открытых» магнитных ловушек был проведен ещё в 1955 году во всё той же Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса. Идея ловушек заключалась в том, чтобы использовать не закрытый тор, а магнитный сосуд вытянутой формы, открытый с двух противоположных концов. «Новая» плазма в этом случае должна была разогреваться до нужной температуры, отдавать энергию и выходить через боковые отверстия (либо отбиваться магнитным полем обратно, как от зеркал — отсюда и название). Благодаря такой форме и механизму их стоимость оказалась намного ниже, чем у конкурирующих разработок, так что какое-то время зеркальные ловушки казались крайне перспективной разработкой. Но со временем экспериментаторы столкнулись с нестабильностью плазмы, плохо изученной на момент начала разработок, что привело к проблемам и невозможности достичь необходимых для термоядерного синтеза температур. В дальнейшем в конструкцию неоднократно вносились изменения, но амбициозная американская установка MFTF, например, была закрыта ещё до начала пробных запусков, так как токамаки в итоге оказались проще, мощнее и дешевле.

Из интересных разработок этого типа стоит отметить российский ГДЛ (газодинамическая ловушка) из Новосибирска, который создаётся на базе советского проекта 50-х годов, «открытой» ловушки «пробкотрон Будкера». По состоянию на 2018 год учёным Новосибирского Института ядерной физики СО РАН удалось достичь температуры в 10 млн градусов, а в 2020 году они получили грант от Минобрнауки РФ на закупку нового оборудования для продолжения экспериментов.

Красивое завтра: вместо выводов

Среди учёных, занимающихся проблемами термоядерного синтеза, ходит шутливое высказывание, что до успеха исследований и начала коммерческого применения реакторов «осталось всего-то лет 30», причём отвечают они так уже далеко не первый десяток лет (стабильность!). Тем не менее, технологии продолжат развиваться, а человечество — искать способы «приручить» термоядерный синтез и создать миниатюрное искусственное Солнце, которое обеспечит наши потребности в электроэнергии без риска повторить Чернобыльскую катастрофу и без постоянного вреда для экологии планеты. Прямое влияние на эти исследования могут оказать такие разработки, как ITER, и мы рады, что Япония и корпорация Toshiba принимают в них непосредственное участие. А что будет дальше… посмотрим через 30 лет.

Термоядерный реактор может появиться уже в 2025 году

Визуализация предлагаемого токамака SPARC в разрезе.
(Изображение предоставлено: CFS/MIT-PSFC — CAD-рендеринг Т. Хендерсона)

Жизнеспособный термоядерный реактор, который вырабатывает больше энергии, чем потребляет, может появиться уже в 2025 году.

Если термоядерный реактор достигнет этого рубежа, он может проложить путь к массовому производству экологически чистой энергии.

Во время синтеза атомные ядра вынуждены вместе образовывать более тяжелые атомы . Когда масса образующихся атомов меньше массы атомов, пошедших на их создание, избыточная масса преобразуется в энергию, высвобождая необычайное количество света и тепла . Синтез питает солнце и звезды, поскольку могущественная гравитация в их сердцах сплавляет водород , чтобы создать гелий .

Связанный: Научный факт или вымысел? Правдоподобие 10 научно-фантастических концепций

Но требуется огромное количество энергии, чтобы заставить атомы слиться воедино, что происходит при температуре не менее 180 миллионов градусов по Фаренгейту (100 миллионов градусов по Цельсию). Однако такие реакции могут генерировать гораздо больше энергии, чем им требуется. В то же время термоядерный синтез не производит парниковых газов , таких как углекислый газ, который вызывает глобальное потепление , и не производит других загрязняющих веществ. А топливо для синтеза — например элемент водород — достаточно много на Земле , чтобы удовлетворить все потребности человечества в энергии на миллионы лет.

«Практически все мы занялись этим исследованием, потому что пытаемся решить действительно серьезную глобальную проблему», — сказал автор исследования Мартин Гринвальд, физик плазмы из Массачусетского технологического института и один из ведущих ученых, разрабатывающих новый реактор. «Мы хотим влиять на общество. Нам нужно решение проблемы глобального потепления — иначе цивилизация в беде. Похоже, это может помочь это исправить».

В большинстве экспериментальных термоядерных реакторов используется российская конструкция в форме пончика, называемая токамак. В этих конструкциях используются мощные магнитные поля для удержания облака плазмы или ионизированного газа при экстремальных температурах, достаточно высоких для сплавления атомов. Новое экспериментальное устройство, названное реактором SPARC (Самый быстрый/маленький доступный по цене надежный компактный частный финансируемый реактор), разрабатывается учеными Массачусетского технологического института и дочерней компанией Commonwealth Fusion Systems.

Связанный контент

Если это удастся, SPARC станет первым устройством, которое когда-либо достигло «горящей плазмы», в которой тепло от всех термоядерных реакций поддерживает синтез без необходимости накачки дополнительной энергии. Но никто никогда не мог использовать мощность горящей плазмы в управляемой реакции здесь, на Земле, и необходимы дополнительные исследования, прежде чем SPARC сможет это сделать. Проект SPARC, запущенный в 2018 году, планируется начать в июне следующего года, а запуск реактора — в 2025 году. Это намного быстрее, чем крупнейший в мире проект термоядерной энергетики, известный как Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР), который был задуман в 1985, но выпущен только в 2007 году; и хотя строительство началось в 2013 году, ожидается, что проект не приведет к термоядерной реакции до 2035 года.

Одно из преимуществ SPARC перед ITER заключается в том, что магниты SPARC предназначены для удержания его плазмы. SPARC будет использовать так называемые высокотемпературные сверхпроводящие магниты, которые стали коммерчески доступными только в последние три-пять лет, спустя много времени после того, как ITER был впервые разработан. Эти новые магниты могут создавать гораздо более мощные магнитные поля, чем ИТЭР — максимум 21 Тл по сравнению с максимальным значением ИТЭР в 12 Тл. (Для сравнения, напряженность магнитного поля Земли колеблется от 30 миллионных до 60 миллионных долей тесла. )

Эти мощные магниты предполагают, что ядро ​​SPARC может быть примерно в три раза меньше в диаметре и в 60-70 раз меньше по объему, чем сердце ITER, ширина которого должна быть 6 метров. «Это резкое уменьшение размера сопровождается снижением веса и стоимости», — сказал Гринвальд в интервью LiveScience. «Это действительно меняет правила игры».

В семи новых исследованиях ученые рассказали о расчетах и ​​суперкомпьютерном моделировании, лежащих в основе конструкции SPARC. Ожидается, что SPARC будет генерировать как минимум в 10 раз больше энергии, чем закачивается, как показали исследования.

Тепло от термоядерного реактора будет генерировать пар. Затем этот пар приводил бы в действие турбину и электрический генератор, точно так же, как в настоящее время производится большая часть электроэнергии.

«Термоядерные электростанции могут полностью заменить электростанции, работающие на ископаемом топливе, и вам не придется реструктурировать для них электрические сети», — сказал Гринвальд. Напротив, возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия и ветер, «не подходят для нынешней конструкции электрических сетей».

Исследователи в конечном итоге надеются, что термоядерные электростанции, вдохновленные SPARC, будут генерировать от 250 до 1000 мегаватт электроэнергии. «На нынешнем энергетическом рынке США электростанции обычно вырабатывают от 100 до 500 мегаватт», — сказал Гринвальд.

SPARC будет производить только тепло, а не электричество. После того, как исследователи построят и протестируют SPARC, они планируют построить реактор ARC (Affordable Robust Compact), который будет производить электричество из этого тепла к 2035 году. сказал. «Я думаю, что это действительно правдоподобно».

Первоначально опубликовано на Live Science.

Чарльз К. Чой — автор статей для Live Science и Space.com. Он охватывает все, что связано с человеческим происхождением и астрономией, а также физику, животных и общие научные темы. Чарльз имеет степень магистра гуманитарных наук Университета Миссури-Колумбия, Школу журналистики и степень бакалавра гуманитарных наук Университета Южной Флориды. Чарльз побывал на всех континентах Земли, пил прогорклый чай с маслом яка в Лхасе, плавал с морскими львами на Галапагосских островах и даже взбирался на айсберг в Антарктиде.

ученых побили рекорд по количеству энергии, выработанной во время управляемой, устойчивой термоядерной реакции

12 апреля 2022 г.

Магнитные термоядерные реакторы содержат сверхгорячую плазму в контейнере в форме пончика, называемом токамак.

Ядерный синтез достиг важной вехи благодаря улучшенным стенкам реактора — это инженерное достижение направлено на создание реакторов будущего.

Английские ученые установили новый рекорд по количеству энергии, вырабатываемой во время управляемой, устойчивой реакции синтеза. Создание 59 мегаджоулей энергии за пять секунд в эксперименте Joint European Torus, или JET, в Англии было названо некоторыми СМИ «прорывом» и вызвало интерес физиков. Тем не менее, о производстве термоядерной энергии часто говорят, что это «всегда 20 лет».

Мы физик-ядерщик и инженер-ядерщик, работающий над созданием управляемого ядерного синтеза для производства электроэнергии.

Открытие JET представляет собой значительный прогресс в понимании физики термоядерного синтеза. Но, что, возможно, более важно, это демонстрирует, что новые материалы, использованные для создания внутренних стенок термоядерного реактора, работали так, как ожидалось. Тот факт, что новая структура стены функционировала так хорошо, отличает эти открытия от прошлых вех и приближает магнитный синтез к реальности.

Термоядерные реакторы сталкивают две формы водорода вместе (вверху), чтобы они сливались, производя гелий и высокоэнергетический электрон (внизу).

Слияние частиц

Ядерный синтез — это слияние двух атомных ядер в одно составное ядро. Затем это ядро ​​распадается и высвобождает энергию в виде новых атомов и частиц, которые ускоряются, удаляясь от реакции. Термоядерная электростанция будет улавливать улетающие частицы и использовать их энергию для выработки электроэнергии.

Существует несколько различных способов безопасного управления термоядерным синтезом на Земле. Наше исследование сосредоточено на подходе, используемом JET — использовании мощных магнитных полей для удержания атомов до тех пор, пока они не нагреются до достаточно высокой температуры для их плавления.

Топливом для нынешних и будущих реакторов являются два разных изотопа водорода — это означает, что они имеют один протон, но разное количество нейтронов — называемые дейтерием и тритием. Обычный водород имеет в ядре один протон и не содержит нейтронов. У дейтерия один протон и один нейтрон, а у трития один протон и два нейтрона.

Чтобы реакция синтеза прошла успешно, атомы топлива должны сначала стать настолько горячими, чтобы электроны вырвались из ядер. Это создает плазму

Плазма — одно из четырех основных состояний вещества, наряду с твердым, жидким и газообразным. Это ионизированный газ, состоящий из положительных ионов и свободных электронов. Впервые он был описан химиком Ирвингом Ленгмюром в 1920-х годах.

» data-gt-translate-attributes='[{«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»}]’>плазма — совокупность положительных ионов и электронов. Затем нужно поддерживать нагрев эту плазму, пока она не достигнет температуры более 200 миллионов градусов по Фаренгейту

. Шкала Фаренгейта — это температурная шкала, названная в честь немецкого физика Даниэля Габриэля Фаренгейта и основанная на шкале, предложенной им в 1724 году. В температурной шкале Фаренгейта точка замерзания воды замерзает. составляет 32 °F, а вода кипит при 212 °F, что составляет 180 °F, как определено на уровне моря и стандартном атмосферном давлении. 

» data-gt-translate-attributes='[{«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»}]’>Fahrenheit (100 миллионов градусов Цельсия)

Шкала Цельсия, также известная как шкала Цельсия — температурная шкала, названная в честь шведского астронома Андерса Цельсия. В шкале Цельсия 0 °C — это точка замерзания воды, а 100 °C — точка кипения воды при давлении 1 атм.

» data-gt -translate-attributes='[{«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»}]’>Цельсий). Затем эту плазму необходимо удерживать в замкнутом пространстве с высокой плотностью в течение достаточно длительного периода времени, чтобы атомы топлива столкнулись друг с другом и слились воедино.

Чтобы контролировать термоядерный синтез на Земле, исследователи разработали устройства в форме пончика, называемые токамаками, которые используют магнитные поля для сдерживания плазмы. Линии магнитного поля, огибающие внутреннюю часть пончика, действуют как железнодорожные пути, по которым следуют ионы и электроны. Вводя энергию в плазму и нагревая ее, можно разогнать частицы топлива до таких высоких скоростей, что при их столкновении, а не отскоке друг от друга, ядра топлива сливаются воедино. Когда это происходит, они выделяют энергию, прежде всего в виде быстро движущихся нейтронов.

В процессе термоядерного синтеза частицы топлива постепенно удаляются от горячего плотного ядра и, в конце концов, сталкиваются с внутренней стенкой термоядерного реактора. Чтобы стены не разрушались из-за этих столкновений, которые, в свою очередь, также загрязняют термоядерное топливо, реакторы построены таким образом, что они направляют своенравные частицы в сильно бронированную камеру, называемую дивертором. Это откачивает отведенные частицы и отводит избыточное тепло для защиты токамака.

Эксперимент по магнитному синтезу JET — самый большой токамак в мире. Кредит: EFDA JET

Стены важны

Основным недостатком реакторов прошлого был тот факт, что диверторы не могли выдержать непрерывную бомбардировку частицами более нескольких секунд. Чтобы термоядерная энергетика работала в коммерческих целях, инженерам необходимо построить судно-токамак, который выдержит годы использования в условиях, необходимых для термоядерного синтеза.

Стенка дивертора – первое, на что следует обратить внимание. Хотя частицы топлива намного холоднее, когда они достигают дивертора, они все же обладают достаточной энергией, чтобы выбить атомы из материала стенки дивертора при столкновении с ним. Раньше стенка дивертора JET была сделана из графита, но графит поглощает и улавливает слишком много топлива для практического использования.

Примерно в 2011 году инженеры JET модернизировали дивертор и внутренние стенки сосуда, сделав их вольфрамовыми. Вольфрам был выбран отчасти потому, что у него самая высокая температура плавления среди всех металлов — чрезвычайно важная характеристика, когда дивертор, вероятно, будет испытывать тепловые нагрузки почти в 10 раз выше, чем носовой обтекатель космического корабля, возвращающегося в атмосферу Земли. Внутренняя стенка сосуда токамака была модернизирована с графита на бериллий. Бериллий обладает отличными тепловыми и механическими свойствами для термоядерного реактора — он поглощает меньше топлива, чем графит, но при этом может выдерживать высокие температуры.

Энергия, произведенная JET, была тем, что попало в заголовки, но мы утверждаем, что на самом деле именно использование новых материалов для стен делает эксперимент действительно впечатляющим, потому что будущим устройствам потребуются эти более прочные стены для работы на высокой мощности даже в течение более длительные периоды времени. JET — это успешное доказательство концепции создания термоядерных реакторов следующего поколения.

Термоядерный реактор ИТЭР, показанный здесь на схеме, будет использовать уроки JET, но в гораздо большем и более мощном масштабе. Авторы и права: Национальная лаборатория Ок-Ридж, Токамак ИТЭР и заводские системы

Следующие термоядерные реакторы

Токамак JET — самый большой и самый совершенный магнитный термоядерный реактор, работающий в настоящее время. Но реакторы следующего поколения уже находятся в разработке, в первую очередь эксперимент ИТЭР, который должен начать работу в 2027 году. ИТЭР, что в переводе с латыни означает «путь», строится во Франции и финансируется и управляется международной организацией, которая включает U.S.

ИТЭР собирается использовать многие из материальных достижений JET, которые доказали свою жизнеспособность. Но есть и некоторые ключевые отличия. Во-первых, ИТЭР огромен. Камера синтеза имеет высоту 37 футов (11,4 метра) и высоту 63 фута (190,4 метра) вокруг — более чем в восемь раз больше, чем JET. Кроме того, в ITER будут использоваться сверхпроводящие магниты, способные создавать более сильные магнитные поля в течение более длительных периодов времени по сравнению с магнитами JET. Ожидается, что благодаря этим обновлениям ИТЭР побьет рекорды термоядерного синтеза JET — как по выходной энергии, так и по продолжительности реакции.

Также ожидается, что ИТЭР сделает что-то важное для идеи термоядерной электростанции: будет производить больше энергии, чем требуется для нагрева топлива. Модели предсказывают, что ИТЭР будет производить около 500 мегаватт энергии непрерывно в течение 400 секунд, при этом потребляя всего 50 МВт энергии для нагрева топлива. Это означает, что реактор производил в 10 раз больше энергии, чем потреблял — огромное улучшение по сравнению с JET, которому требовалось примерно в три раза больше энергии для нагрева топлива, чем он производил за последние 59 лет.мегаджоульный рекорд.

Недавний отчет JET показал, что годы исследований в области физики плазмы и материаловедения окупились и привели ученых к порогу использования термоядерного синтеза для производства электроэнергии. ИТЭР станет огромным шагом вперед к созданию термоядерных электростанций промышленного масштаба.

Автор:

• Дэвид Донован – адъюнкт-профессор ядерной инженерии, Университет Теннесси
• Ливия Казали – доцент кафедры ядерной инженерии, научный сотрудник факультета Зинкл, Университет Теннесси

Эта статья была впервые опубликована в The Conversation.

Сила синтеза приближается

Реакционная камера DIII-D, экспериментального термоядерного реактора-токамака, эксплуатируемого General Atomics в Сан-Диего. Wikimedia Common

8 февраля ученые, связанные с экспериментальной установкой по термоядерному синтезу Joint European Torus (JET), расположенной в Оксфордшире, Великобритания, объявили, что они достигли устойчивой термоядерной реакции, высвободив 11 мегаватт мощности термоядерного синтеза, непрерывно сжигая дейтериево-тритиевую плазменную смесь. на пять секунд.

Крупный прорыв в области термоядерной энергии, создавший рекордные 150 миллионов градусов по Цельсию, что в 10 раз горячее Солнца за 5 секунд!

Если все сделать правильно, это создаст революционную возможность получить неограниченную энергию навсегда. pic.twitter.com/U086oidKPn

— Элвин Фу (@alvinfoo) 11 февраля 2022 г.

Мощность нагрева, примененная к плазме, была немного больше, чем высвобождаемая мощность термоядерного синтеза. Таким образом, хотя JET и не достиг рубежа энергетической «безубыточности», он был очень близок к этому. Уровень мощности 11 МВт был не более рекордным, чем у JET, построенного в 1980-е, действие которых происходит в 1997 году. Но на этот раз ожог длился в пять раз дольше.

Итак, трижды ура команде JET. Но все же возникает вопрос, почему токамак, начавший работать 35 лет назад, до сих пор остается лучшим в мире? Или, в более широком смысле, почему прогресс в развитии термоядерной энергетики был таким медленным?

Очень важный вопрос. Немногим более века назад сэр Артур Эддингтон, который в 1919 году проводил наблюдения, подтверждающие истинность теории относительности Эйнштейна, понял, что масса, теряемая при слиянии ядер водорода с образованием гелия, должна высвобождать колоссальное количество энергии в соответствии с Эйнштейном. знаменитое уравнение E = mc ² . И что это должен быть таинственный источник силы, которая освещает Солнце и все звезды.

Портрет Артура Стэнли Эддингтона (1882-1944)

Эддингтон сразу увидел потенциальное практическое применение этого открытия. В речи перед Британской ассоциацией содействия развитию науки в августе 1920 г. он сказал: «Если субатомная энергия звезд действительно свободно используется для поддержания их огромных печей, это, кажется, немного приближает к осуществлению нашей мечты. контроля над этой скрытой силой ради благополучия человечества или ради его самоубийства».

Идея превращения материи в энергию так и осталась спекуляцией. Так было до тех пор, пока Лизе Мейтнер — австрийский ученый, бежавший из расширяющегося Третьего рейха в Швецию, потому что она была еврейкой по происхождению, — просмотрела данные, присланные ей ее бывшим берлинским сотрудником Отто Ганом, и не поняла, что он осуществил деление ядер.

Лиза Мейтнер (1878–1968)

(Мейтнер, вторая женщина, получившая докторскую степень по физике, на самом деле была практикующей христианкой, патриотически служившей рентгенологом в австрийской армии на фронте Первой мировой войны, но это не срезала льда с нацистами. ) Мейтнер поделилась этим открытием со своим племянником Отто Фришем, когда он приехал к ней из Дании на рождественскую вечеринку в38. Затем Фриш сказал об этом своему боссу Нильсу Бору, как раз перед тем, как последний отплыл в Нью-Йорк, чтобы встретиться с Лео Сцилардом, Энрико Ферми и группой других беженцев и американских ученых на конференции. Они сразу поняли его значение. Перед окончанием конференции они повторили эксперимент Гана, а вскоре после этого Сцилард попросил своего друга, нью-йоркского финансиста Александра Сакса, передать письмо с подписью Эйнштейна Франклину Рузвельту, чтобы предупредить президента о том, что теперь возможно.

Письмо Эйнштейна-Сциларда, отправленное президенту Соединенных Штатов Франклину Д. Рузвельту 2 августа 1939 г.

Франклин Рузвельт быстро получило распространение. «Итак, Алекс, — ответил он, — значит, вы не хотите, чтобы Гитлер нас взорвал». Сакс кивнул. Так родился Манхэттенский проект.

Ядерное деление работает путем расщепления самых тяжелых элементов на элементы среднего веса с использованием нейтронов в качестве снарядов. Таким образом, это гораздо легче сделать, чем синтез, потому что нейтроны, будучи нейтрально заряженными, не отталкиваются от ядер-мишеней, а для слияния легких ядер необходимо преодолеть сильное взаимное отталкивание положительных зарядов. Более того, каждая реакция деления высвобождает еще два или три нейтрона, что приводит к цепной реакции, в которой каждое деление вызывает еще несколько нейтронов. Таким образом, деление стало основой программы атомной бомбы военного времени, а вскоре после этого открыло путь к управляемой ядерной энергетике, позволив первым атомным подводным лодкам в 1919 г.54, а затем, начиная с 1957 г., и промышленные АЭС.

Тем не менее, слияние не было забыто. Используя бомбы деления, можно нагреть и сжать массу термоядерного топлива до достаточно высоких температур и давлений, чтобы привести его в действие, с выделением энергии в тысячи раз большей, чем при взрыве деления. К началу 1950-х годов такое оружие как «водородная бомба» стало мировым господством. Но не может ли эта огромная разрушительная сила быть использована, как сказал Эддингтон, для «благоденствия человеческого рода», а не только для его самоубийства?

Очевидно, стоило попробовать. В то время как синтез обычного «легкого» водорода ( ¹ H), как это происходит в звездах, требует реакторов гораздо больших, чем может построить человек, тяжелые изотопы водорода, дейтерия ( ² H или просто «D») и тритий ( ​​ ³ H или «T») реагирует намного быстрее, что делает возможным создание как водородных бомб, так и управляемых термоядерных реакторов. Дейтерий присутствует на Земле примерно в количестве одного из каждых 6000 атомов водорода, но даже эта небольшая часть имеет большое значение. При сжигании в термоядерном реакторе эта крошечная часть, присутствующая в одном галлоне любой воды, пресной или соленой, может высвободить столько же энергии, сколько получается при сжигании 350 галлонов бензина. Для всех практических целей управляемый синтез означает бесконечную энергию.

Итак, начиная с 1949 года в Великобритании, а затем в начале 50-х годов в США и СССР были начаты сверхсекретные программы по созданию управляемых термоядерных реакторов. На самом деле, программы США и Великобритании были только секретными друг от друга. Советы, благодаря своим превосходным шпионским сетям, были хорошо информированы об успехах обоих. На самом деле руководитель советской программы Игорь Курчатов был лучше информирован о британской программе, чем сами британцы, настолько, что в 1956 он даже приехал в британскую лабораторию Harwell, чтобы прочитать неожиданную гостевую лекцию. Не раскрывая своих источников, он затем великодушно объяснил ошибку, которую «кто-то» мог совершить (какими на самом деле были британцы) при измерении количества термоядерных реакций, происходящих в плазме. (Советы, по-видимому, хотели, чтобы западные программы управляемого синтеза увенчались успехом, так как они создали бы источник энергии, на развитие которого у них не было средств.)

К сожалению, британцы не послушались и год спустя сильно смутились когда в ответ Sputnik рассекретили свою термоядерную программу с сопроводительным объявлением об успешных результатах, которые оказались фикцией. Однако с положительной стороны заявление Великобритании привело к рассекречиванию всех программ управляемого синтеза. За этим последовала замечательная конференция «Атом для мира», состоявшаяся в Швейцарии в 1958, где полностью мужской контингент американских исследователей термоядерного синтеза имел удовольствие провести много долгих часов в беседе с жизнерадостными молодыми женщинами из советской службы переводов, все из которых свидетельствовали о сильном интересе к экспериментальной и теоретической физике, редко встречаемом среди студенток в прошлом. дом.

Однако даже после рассекречивания Советы оставались наиболее информированными из всех игроков в области термоядерного синтеза. Таким образом, полностью зная недостатки всех разнообразных западных подходов, они смогли разработать лучший. Это был «токамак», название, происходящее от описательной русской аббревиатуры «тороидальная магнитная камера».

Токамак Т-3

Чтобы объяснить, почему токамак в форме пончика работает намного лучше, чем магнитные зеркала, Z-пинчи, тета-пинчи и стеллараторы, разрабатываемые на Западе, здесь потребуется слишком много технических подробностей. Достаточно сказать, что так оно и было. К середине 1960-х годов советский чемпион по токамакам Лев Арцимович заявлял о результатах, которые были настолько лучше результатов, достигнутых в других местах, что ему никто не поверил. Поэтому он сделал невероятное. Он пригласил группу британских ученых приехать в Москву и наблюдать и измерять результаты экспериментов на его токамаке Т-3 с помощью их собственных приборов. В 1968, они так и сделали и подтвердили, что все утверждения Арцимовича были правдой. Лихорадка токамаков охватила Запад. Тем временем Советы продолжали свою программу, продвигаясь от оригинального Т-3 к серии еще более крупных машин, включая Т-4 в 1969 году, Т-10 в 1975 году и сверхпроводящий Т-15 в 1988 году.

Лев Арцимович разговаривает с британцами ученые в Москве, 1968

Токамак лихорадка охватила Запад

1971 Техасский турбулентный токамак вступает в строй в Техасском университете в Остине, а также токамак ОРМАК в Окриджской национальной лаборатории
1972 Тороидальный компрессор в Принстоне
1973 Tokamak de Fontenay Aux Roses (TFR), недалеко от Парижа
1973 Alcator A в MIT
1975 Princeton Forge

1999999978 1975 Princeton Forge
9999999978 1975 Princeton Forge
9999999978 1975 , Германия
1980 TEXT в UT Austin
1982 TFTR в Princeton
1983 Novillo Tokamak, в Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares, в Мехико и Joint European Torus (JET) в Culham0201 1985 JT-60 в Японии
1986 DIII-D в компании General Atomics в Сан-Диего
1987 Токамак де Варренн в Канаде и STOR-M в Университете Саскачевана в Канаде 198079 CEA, Cadrache, France
1989 Aditya, Институт исследований плазмы (IPR) в Индии

В результате токамакской лихорадки программы, поддерживающие альтернативные подходы к термоядерному синтезу, включая не только стеллараторы, зеркала, тороидальные Z-пинчи , но новые идеи, использующие преимущества самоорганизующихся свойств плазмы, такие как сферомаки и конфигурации с обращенным полем, нуждались в средствах. В то время как в Германии продолжали держаться несколько фанатиков стеллараторов, последним крупным конкурентом токамака из старой гвардии было магнитное зеркало. Но, потратив более 200 миллионов долларов на завершение флагманского магнитного зеркала MFTF-B в Ливерморе, в 1985 Департамент энергетики со скандалом отменил программу еще до того, как машину удалось запустить.

Но если программа термоядерного синтеза была опасно сужена до одной основной концепции, этот подход — токамак — активно развивался.

Движимое активной международной конкуренцией и с действенным подходом, в течение следующих трех десятилетий фактическое количество термоядерной энергии, высвобождаемой в экспериментальных токамаках, выросло в триллионов раз .

В период с 1970 по 1997 год мощность синтеза, производимая в экспериментальных токамаках, выросла в триллион раз. Источник: Эволюция токамака и взгляд в будущее

Однако это победоносное шествие к управляемому синтезу было остановлено как вкопанный, когда в середине 1980-х бюрократы, контролирующие основные термоядерные программы, собрались вместе и решили, что такая конкуренция расточительна и утомительна. Не лучше ли было бы, рассуждали они, вместо того, чтобы конкурировать друг с другом в создании более мощных токамаков, собраться всем вместе на одной большой машине? Они решили, что так и будет, и назвали его Международным термоядерным испытательным реактором или ИТЭР.

Что такое ИТЭР?

ИТЭР («Путь» на латыни) — один из самых амбициозных энергетических проектов в мире на сегодняшний день. На юге Франции 35 стран* сотрудничают в строительстве крупнейшего в мире токамака, устройства для магнитного синтеза, которое было разработано, чтобы доказать осуществимость синтеза в качестве крупномасштабного и безуглеродного источника…

ITER

Fusion прогресс с 50-х до середины 80-х годов, обусловленный живой конкуренцией между американскими, европейскими, советскими и японскими программами. Но когда эти конкурирующие программы были сведены в единое целое, ИТЭР, эта конкуренция исчезла. В результате прогресс в термоядерном синтезе резко остановился, поскольку новые машины не строились. Вместо этого практически все передовые исследования концепций, не связанных с токамаками, были прекращены, а средства, которые должны были пойти на создание следующего поколения токамаков, были направлены на отправку высокопоставленных бюрократов на бесконечную серию саммитов в Вене, Киото и других роскошных местах вокруг. мир. Проект ИТЭР был заморожен в ранней гигантской концепции, а затем программа развивалась черепашьими темпами, а соглашение о том, куда поставить машину, не было достигнуто в течение двух десятилетий. На момент написания статьи машина еще не построена. Если она будет идти по действующему графику, то ее не включат до 2025 года, а попытки добиться зажигания не раньше 2035 года.

Эта абсурдно-ледяная скорость развития заставила многих людей в техническом сообществе стать циничными. «Слияние — это энергия будущего, и так будет всегда», — стало обычным сарказмом. Но есть основания для надежды.

Совещания по планированию программы ИТЭР начались в начале 80-х, и к лету 1985 года многие, работавшие на передовой термоядерной программы, уже рассматривали ее как «скандал». В то время я был частью группы инженеров в Лос-Аламосской национальной лаборатории, работавшей над первой конструкцией термоядерного реактора, основанной на тогдашней очень продвинутой концепции сферического токамака, или ST. На групповом обеде ближе к концу работы руководитель группы Роберт Краковски философски размышлял.

— Знаешь, — сказал Краковски. «Когда термоядерная энергия, наконец, будет разработана, это будет не в таких местах, как Лос-Аламос или Ливермор. Это сделает пара чокнутых, работающих в гараже».

Мы все смеялись над этим, прекрасно понимая, насколько огромные трудности, связанные с развитием термоядерной энергетики, делают такой подвиг далеко за пределами возможностей гаражных изобретателей. Но в последние годы тенденция резко изменилась в сторону подтверждения пророчества Краковского.

Хотя национальные программы представляют собой тень самих себя, а ИТЭР продолжает двигаться вперед со скоростью дрейфа континентов, происходит нечто другое.

Произошел прорыв. Своей впечатляющей и быстрой разработкой многоразовых ракет-носителей компания Илона Маска SpaceX продемонстрировала, что хорошо управляемая, бережливая и креативная предпринимательская организация может достигать результатов — и делать это намного быстрее, — которые ранее считались требующими усилий крупных силовые правительства. Это поразило наблюдателей за программой термоядерного синтеза как гром среди ясного неба. Могло ли быть так, что кажущиеся непреодолимыми препятствия на пути к управляемому термоядерному синтезу — подобно препятствиям на пути к дешевому космическому запуску — были на самом деле не техническими, а институциональными? Предприимчивые инвесторы неожиданно заинтересовались. Во всем мире были предприняты хорошо финансируемые предпринимательские усилия, направленные на то, чтобы сделать термоядерную энергетику реальностью, и они продвигаются вперед темпами, намного превышающими официальные правительственные программы. Судя по тому, как идут дела, велика вероятность того, что первые управляемые термоядерные реакторы будут запущены до конца этого десятилетия. Возможно, не парой чокнутых в гараже, а командой инженеров стартап-компании, работающих на складе.

В результате в настоящее время финансируется целый ряд инновационных частных стартапов в области термоядерной энергетики (см. ниже).

Слияние — неограниченный источник энергии, но во вселенной есть еще большая сила: человеческое творчество. Слияние даст нам богатство. Свобода даст нам слияние.

Tokamak Energy

Это предприятие в Оксфордшире, Англия, основанное в 2009 году бывшими сотрудниками Лаборатории Калхэма Джонатаном Карлингом, Дэвидом Кингемом и Майклом Гразневичем, собрало 50 миллионов долларов в основном частных денег, чтобы попытаться разработать ST (та же концепция, что и Я работал в 1980-х годов, который был слишком инновационным для ИТЭР, чтобы его можно было внедрить) в коммерческий реактор. В термоядерном реакторе с магнитным удержанием количество энергии, которое может быть выработано, увеличивается пропорционально β ² B ⁴ , где β — отношение давления плазмы к магнитному давлению, а B — напряженность магнитного поля. Обычный токамак, такой как ITER, может достичь только β около 0,12, но ST может достичь β 0,4. В результате ST может производить такое же количество энергии, как и обычный токамак, но при этом его размер и стоимость меньше 1/10.

Commonwealth Fusion Systems

Основанное в 2018 году предприятие в Массачусетском технологическом институте привлекло 75 миллионов долларов, в том числе 50 миллионов долларов от итальянской нефтяной компании ENI и около 25 миллионов долларов от фонда Breakthrough Energy Ventures, поддерживаемого Биллом Гейтсом и Джеффом Безосом. , Джек Ма, Мукеш Амбани и Ричард Брэнсон. Корни концепции дизайна CFS восходят к 1980-м годам, когда очень творческий индивидуалист, физик из Массачусетского технологического института Бруно Коппи предложил добиться термоядерного синтеза в очень маленьком токамаке с помощью простого способа использования сверхсильных магнитных полей. Силовые линии магнитного поля токамака удерживают частицы, которые следуют за ними, закручиваясь по спирали вокруг камеры, при этом радиус спиралей обратно пропорционален силе магнитного поля. Коппи рассудил, что релевантным размером токамака является не его размер как таковой , а отношение его размера к радиусу спирали, ведь именно это отношение определяет, сколько продержится частица до удара о стенку. Кроме того, как отмечалось выше, чем выше напряженность магнитного поля, тем быстрее, вероятно, будет реагировать частица. Поэтому, если вы хотите, чтобы частица приняла участие в реакции синтеза до того, как она ударится о стену (что слишком сильно охладит ее для синтеза), ключ в том, чтобы просто пойти ва-банк со сверхмощными магнитами. Но проблема в том, что максимальное магнитное поле, которого практически можно достичь с помощью традиционных низкотемпературных сверхпроводящих магнитов, составляет около 6 Тл, а Коппи нужно было 12 Тл. Поэтому он сконструировал экспериментальную машину под названием «Игнитор» с использованием медных магнитов. Это не могло быть практичным коммерческим реактором, потому что резистивные медные магниты потребляли бы слишком много энергии. Тем не менее, если бы он был построен, мы, вероятно, добились бы воспламенения термоядерного синтеза в 19 веке.90-е. Но все средства Министерства энергетики США были выделены на ИТЭР, поэтому «Игнитор» так и не был построен. Но начиная примерно с 2014 года группа Массачусетского технологического института под руководством профессора Денниса Уайта решила продолжить с того места, на котором остановился Коппи, улучшив концепцию Ignitor, используя высокотемпературные сверхпроводящие магниты, которые не требуют электроэнергии и могут достигать 12 Тл. В результате, с более чем вдвое большей напряженностью магнитного поля, чем у ИТЭР, реактор CFS, известный как термоядерный реактор SPARC (наименьший из возможных, прочный и компактный), достигнет 1/5 мощности, на которую рассчитывает ИТЭР, в реакторе 1/65 мощности. объем. Кроме того, CFS стремится сделать это к 2025 году, достигнув за семь лет того, что ИТЭР надеется сделать за полвека.

Tri Alpha Energy

Компания TAE, основанная в 1998 году покойным доктором Норманом Ростокером в Южной Калифорнии, недавно получила более 800 миллионов долларов инвестиций от крупных компаний, включая соучредителя Microsoft Пола Аллена, Goldman Sachs, Wellcome Trust, NEA Силиконовой долины. и Венрок. Отход TAE от ортодоксии более радикален, чем упомянутый выше стартап, поскольку они не используют токамак или тороидальную камеру любого типа. Вместо этого TAE использует простую цилиндрическую камеру с требуемым тороидальным магнитным полем, индуцируемым в самой плазме за счет того, что линейное магнитное поле, создаваемое внешним соленоидом, внезапно переворачивается, заставляя его изгибаться и соединяться с самим собой. Это создает своего рода вихрь дымового кольца в плазме или то, что в термоядерном бизнесе называется «конфигурацией с обращенным полем» или FRC. Когда я учился в аспирантуре в 19В 80-х годах в Вашингтонском университете FRC были в моде, поскольку они обычно достигают значений β более 0,5. Более того, их простая цилиндрическая конструкция делает их потенциально гораздо более перспективными для создания недорогих коммерческих систем или двигателей термоядерных ракет, чем токамаки. Но к 1980-м годам токамаки вытеснили все финансирование из американского бюджета термоядерного синтеза, и вскоре после этого даже американские токамаки лишились средств для финансирования ИТЭР. FRC были слишком авангардными , чтобы их даже рассматривал ИТЭР. Но частные инвесторы намного смелее международных бюрократов, и TAE прилагает все усилия, чтобы к 2024 году продемонстрировать чистое производство энергии9.0003

Helion Energy

Компания Helion, основанная в 2013 году доктором Дэвидом Киртли, профессором Джоном Слау, Крисом Пихлом и доктором Джорджем Вотробеком, использует два FRC, которые ускоряются в цилиндрической реакционной камере с противоположных концов, чтобы столкнуться в середине, где они сжимаются соленоидальным магнитным полем до реакционных условий. Затем термоядерные реакции нагревают плазму FRC, заставляя ее расширяться обратно к концам камеры с высокой скоростью, при этом ее энергия напрямую преобразуется в электричество в процессе. Затем цикл будет повторяться один раз в секунду, чтобы поддерживать мощность или, альтернативно, ракетную тягу. В ноябре 2021 года Helion Energy объявила о закрытии своей серии E стоимостью 0,5 миллиарда долларов с дополнительными обязательствами в размере 1,7 миллиарда долларов, привязанными к конкретным этапам. Раунд возглавил Сэм Альтман, генеральный директор OpenAI и бывший президент Y Combinator. В раунде также приняли участие существующие инвесторы, в том числе соучредитель Facebook Дастин Московиц, Mithril Capital Питера Тиля и Capricorn Investment Group.

General Fusion

Компания GF, основанная в Бернаби, Британская Колумбия, доктором Мишелем Лаберже и Майклом Делажем в 2002 году, с тех пор получила около 130 миллионов долларов инвестиций. Концепция GF вводит FRC в камеру, содержащую вращающуюся стенку из жидкого металла, которая затем приводится вовнутрь группой поршней, чтобы сжать FRC до условий плавления. Это вариант концепции «схлопывающегося лайнера», наследие которой восходит к проекту LINUS 1972 года AEC. Теория, стоящая за этим, сложна, но кажется здравой. GF надеется показать, что все это будет работать в середине 2020-х годов.

Lockheed Martin

В 2010 году под влиянием доктора Тома Макгуайра и Чарльза Чейза компания Lockheed Martin запустила собственную программу разработки «Компактного термоядерного реактора» с использованием внутренних средств. CFR представляет собой линейную цилиндрическую систему, ограниченную на концах усиленными магнитными полями (или «магнитными зеркалами»), но с дополнительной парой сверхпроводящих магнитных катушек, работающих внутри плазменной камеры, образующих «каспы», улучшающие локализацию. Это создает очень привлекательную конфигурацию магнитного поля, но инженерия, позволяющая заставить ее работать в реальной термоядерной системе, кажется довольно сложной.

В 1987 году покойный визионер Роберт Бассар (известный как ПВРД) возродил концепцию 1950-х годов, выдвинутую Фило Фарнвортом (изобретателем телевидения) для использования электростатических полей, а не магнитных полей, для удержания термоядерной плазмы. Идея работает достаточно хорошо, чтобы можно было использовать очень простую систему для генерации множества термоядерных реакций, о чем свидетельствует производство нейтронов, но необходимы всевозможные навороты, включая вспомогательные магнитные поля, чтобы приблизить ее к генерированию чистой энергии. Бассарду удалось получить предварительное финансирование от ВМС США, но теперь его нет, и остальная часть команды во главе с доктором Полом Сиком и доктором Джеён Паком ищет частное финансирование. Есть берущие?

Другие

В дополнение к вышеперечисленному, в гонке довольно мало темных лошадок. К ним относятся компания Lawrenceville Plasma Physics Fusion из Нью-Джерси, возглавляемая доктором Эриком Лернером, который получил интересные результаты, используя концепцию, называемую плазменным фокусом; CT Fusion, проект Вашингтонского университета, основанный доктором Томом Джарбо, доктором Аароном Хоссаком и Дереком Сазерлендом, который использует подход, подобный FRC, известный как «сферомак»; Applied Fusion Systems, основанная в 2015 году Ричардом Динаном и доктором Джеймсом Ламбертом, пытающими счастья с ST; Helicity Space, компания, основанная Сеттивоне Ю, Мартой Кальво и Стафаном Линтнером, которая развивает концепцию доктора Ю по использованию преимуществ самоорганизующегося плазменного процесса, создающего солнечные протуберанцы, для разработки термоядерных реакторов и термоядерных ракет; австралийская компания HB11 Energy, которая применяет уникальную концепцию комбинированного лазерно-магнитного синтеза Генриха Хора, чтобы попытаться запустить сложную термоядерную реакцию p-11B; и Hyper V, NumerEx и проект MagLIF из Sandia Lab/University of Rochester, которые пытаются разработать варианты концепции взрывающегося лайнера.