Китай построил новый термоядерный реактор
В пятницу, 4 декабря, в лаборатории Чэнду в провинции Сычуань, был запущен новый термоядерный реактор HL-2M Tokamak. Данная установка заменила предыдущую модель HL-2A, и позволит нагревать плазму до 150 миллионов градусов Кельвина.
Новый реактор позволит достичь времени удержания до 10 секунд, при токе до 2,5 триллионов Ампер в плазме. Новая установка является самой передовой в Китае, и предоставит техническую возможность вести научные исследования в области термоядерного синтеза и плазмы на передовом уровне — сообщают китайские СМИ.
Данный реактор является экспериментальным, то есть не предназначен для выработки энергии, однако планы развития китайской термоядерной энергетики предусматривают запуск первого промышленного реактора в 2035, и начало массового строительства ТЯЭС — термоядерных электростанций — к 2050 году.
Термоядерные реакторы — противоположность ядерным: если в ядерном реакторе происходит деление тяжелых частиц на более легкие, с выделением энергии, то в термоядерным более легкие (изотопы водорода дейтерий и тритий, или гелия гелий-3, в планах) сливаются в более тяжелые частицы (гелий-4, стабильный изотоп гелия), с выделением нейтронов и энергии.
При нагреве, вещество переходит в агрегатное состояние плазмы (в случае атомов водорода это голые ядра и электроны), однако, т. к. ионы водорода и изотопов имеют положительный заряд, который не позволяет в нормальных условиях этим атомам сливаться воедино, необходимо разогревать плазму до невероятных температур, чтобы «разогнать» частицы и преодолеть кулоновское взаимодействие.
Современное термоядерное реакторостроение идет тремя путями, удержание плазмы в токамаках (наиболее распространенный тип), стеллараторах, и нагрев мишеней при помощи лазеров.
К первому типу принадлежит ITER — проект международного термоядерного реактора, который позволит удерживать плазму температурой 100 миллионов Кельвин в течении 600 секунд.
Удержание столь высокотемпературной плазмы невозможно без отсутствия контакта между стенками реактора и рабочей средой. Это обеспечивается мощным магнитным полем — так как плазма состоит из положительно и отрицательно заряженных частиц, то магнитное поле способно удерживать её в «подвешенном» состоянии внутри рабочей камеры.
ITER должен стать первым реактором, который производит больше энергии, чем потребляет на нагрев плазмы: при потреблении в 70–75 МВт, тепловая мощность должна составить от 600 (в среднем) до 1100 (в пике) МВт. Однако данный реактор не предназначен для преобразования тепловой энергии в электрическую — следующий реактор DEMO планируется как первая ТЯЭС, строительство которого должно начаться после завершения испытаний ITER, ориентировочная дата готовности — 2050 год.
Второй тип — стеллараторы — работают по схожему принципу, однако вместо формы магнитной камеры в виде тора, как в токамаках, используется более сложная геометрическая структура:
Принципиальное отличие стелларатора от токамака заключается в том, что магнитное поле для изоляции плазмы от внутренних стенок тороидальной камеры полностью создаётся внешними катушками, что, помимо прочего, позволяет использовать его в непрерывном режиме. Его силовые линии подвергаются вращательному преобразованию, в результате которого эти линии многократно обходят вдоль тора и образуют систему замкнутых вложенных друг в друга тороидальных магнитных поверхностей.
Однако стеллараторы сложнее, и в современности пока не предпринимается явных попыток построить коммерческие электростанции, использовавшие бы реактор стеллараторной схемы. Существующие лабораторные экземпляры это Large Helical Device (Япония), Wendelstein 7-X (Германия), Ураган-3М (Украина), Л-2М (Россия)
Третий вариант — лазерный нагрев мишени — наиболее прост и наименее эффективен: небольшое количество дейтерия и трития заключено в мишени, которая нагревается и сжимается при помощи лазерного излучения. Наиболее известная установка — американский импульсный термоядерный реактор NIF — при энергии импульса в 422 МДж, при выходной мощности синтеза до 150 МДж (энергия взрыва 11 кг тротила).
Для повышения отношения выходной мощности/затраченной энергии необходимо значительно повысить мощность лазерного импульса.
Все три вышеизложенных метода достижения управляемой термоядерной реакции имеют единую цель — создать безопасный (неспособный к массовому радиоактивному выбросу, как АЭС), экологичный (в отличие от ТЭС), не привязанный к природным возобновляемым ресурсам (реки, солнечное излучение, ветер) источник энергии. В качестве топлива в термоядерных реакторах используются 2 изотопа водорода — дейтерий и тритий. Синтез дейтерия — освоенная и недорогая операция. В свою очередь получение трития — крайне трудоемкий и дорогостоящий процесс, однако в рамках ITER планируется эксперименты с «размножением» трития — в стенки вакуумной камеры будут установлены ячейки стабильного (содержание 7,5%) лития-6, которые под воздействием нейтронного облучения будут преобразовываться в тритий.
Источник:
www.scmp.com/news/china/science/article/3112684/china-turns-its-artificial-sun-quest-nuclear-fusion-energy
