Термоядерный токамак-стартап
Популярный сайт околоатомных новостей World Nuclear News пишет про запуск (первую плазму) токамака ST40, принадлежащего частной английской компании Tokamak Energy. Новость довольно интересная, особенно если знать контекст, который я попробую и изложить.
Основатель Tokamak Energy Alan Sykes возле разреза ST-40 в масштабе 1 к 1.
Tokamak Energy (TE) основана в 2009 году (по соседству с крупнейшим в мире на сегодня токамаком JET), и с 2012 получило финансирование (на сегодня стартап собрал 35 миллионов долларов) на строительство серии токамаков, ведущих к энергетическому реактору. На фоне ИТЭР стоимостью 20+ миллиардов долларов, не ведущим к энергетическому реактору смотрится странно? Давайте разбираться.
Основная проблема термоядерного синтеза заключается не в том, что бы получить термоядерную реакцию, а чтобы реактор, в котором мы ее проводим был разумных размеров. Практически любая из концепция термоядерного синтеза работает, если увеличивать размеры реактора до километров, а мощность — до тераватт, но такие конструкции не применимы в реальной жизни. Суть работы плазмистов в поиске таких конфигураций и размеров термоядерной плазмы, при которых размер ее будет минимальный при разумном усложнении конструкции реактора (например, системами нагрева).
Видео от Tokamak Energy о «первой плазме» ST40. В кадре — вакуумная камера токамака, с системой обогрева для обжига, магнитная система отсуствует. Красивое зеленое свечение — тлеющий разряд для очистки стенок камеры, не имеющий прямого отношения к термоядерной плазме
Сферические токамаки как раз позволяют сделать шаг вниз в плане размера плазменного шнура при той же термоядерной мощности, формально удешевляет реактор. Теоретический базис этого понятен с 1986 года (когда вышла первая статья), и экспериментально подтвержден в 90х. Подробнее об этом я писал в посте про новый российский токамак, тоже сферический.
Сборка вакуумной камеры ST40. В ИТЭР так просто могла бы выглядеть, скажем, емкость для хранения технической воды, не более:).
Фактически, Tokamak Energy пытаются коммерциализировать эту находку плазмистов двадцатилетней давности. На пути к этом стоит множество инженерных сложностей, некоторые из которых выглядят непреодолимыми или во всяком случае — не преодолимыми за разумные деньги. Именно поэтому новости о продвижении TE вперед вызывают смешанные чувства, т.к. понятно, что все эти успехи в какой-то момент закончатся.
На данный момент в активе TE запуск очень маленького токамака (фактически, настольного) ST-25 и затем переделка его на высокотемпературные сверхпроводники, с достижением рекорда удержания плазмы в токамаке в течении 29 часов (правда, плазмы, очень низкой для термоядерных установок температуры и плотности). Следующий токамак, который запустили 28 апреля уже гораздо серьезнее. Серьезнее настолько, что заставляет поверить, что непреодолимые инженерные сложности преодолимы.
Конструкция токамака в будущем будет погружена в большой вакуумный сосуд для теплоизоляции — криостат. Внутри него находится медная магнитная система из тороидальных и полоидальных катушек, внутри которой вакуумная камера токамака. Важной технической особенностью являются merging-compression coils, решающие проблему недостаточного объема в центральной колонне для центрального соленоида.
Итак, ST40. Это чисто исследовательская машина, которая должна стать одним из промежуточных этапов на пути к энергетическому прототипу ST185 (который по плану будет построен в 2025, в чем есть очень серьезные сомнения, о которых в конце). Сферический токамак с радиусом плазменного шнура всего 40 см, вакуумной камерой размером 1,5×2,2 метра — крошка на фоне серьезных машин. После полной достройки он должен достигать параметров плазмы с Q=1…2 (и соответственно температуры в 10 кэВ, тоже рекордной для таких малых размеров), где Q — отношение термоядерной мощности к подогреву. Напомню, что на сегодня рекорд Q=1.2 для токамака JT-60U с объемом плазмы в десятки раз больше, а расположенный недалеко от ST40 JET, так же с объемом плазмы в 40 раз больше в свое время достиг только Q=0.7. Фактически, если расчетные параметры ST40 подтвердятся, то это будет невероятный прорыв для токамаков.
Моделирование нейтронного выхода ST40 для DT плазмы разными методами. Пересчет с параметров другого сферического токамака MAST дает около 3 мегаватт термоядерной мощности при 2 мегаваттах подогрева, т.е. Q~1,5, однако результат может быть и хуже.
Что именно отличает ST40 от предшественников? Это сферический токамак с достаточно сильным полем в 3 Тесла (надо заметить — рекордным среди сферических токамаков), максимально оптимизированный на получение высокого Q. Высокое поле тут достижение само по себе. Проблема сферических токамаков в том, что физика требует иметь центральную колонну как можно меньшего диаметра (что бы как можно сильнее приблизить форму плазмы к сфере), что означает минимальную площадь для внутренних дуг тороидальных катушек и центрального соленоида. Ток тороидальных катушек определяет силу поля, при том, что плотность тока не может быть выше определенных параметров, что для медной, что для сверхпроводящей системы. Центральный соленоид, в свою очередь, нужен для первичной накачки плазмы энергией, и его размер тоже довольно жестко ограничен снизу.
Медные проводники катушек тороидального поля и центральная колонна. 24 D-образных витка сгрупированные по 3 (нижнее фото слева) на первом этапе будут при запусках в течении 1…10 секунд проводить ток около 100 кА
Получается, что инженерные ограничения диктуют либо невысокое поле в сферическом токамаке… либо отказ от стандартного подхода к запуску. В ST40 используется новый метод стартового нагрева плазмы и формирования кольцевого тока — компрессия и пересоединение магнитных линий. Это явление ответственно за солнечные вспышки, и умеет очень неплохо греть плазму. Эффективность этого подхода не ясна, и это первая задача ST40 — научится запускать плазменный ток без использование центрального соленоида (небольшой ЦС в конструкции ST40 все равно остается для поддержания плоского профиля тока во время пуска, однако объем его примерно в 10 раз меньше, чем по классической схеме).
Магнитное пересоединение — это такое явление переконфигурации магнитного поля, когда две трубки поля с противоположной направленностью «закорачиваются» и исчезают выделяя энергию. На картинке это внешние трубки доменов «inflow», а энергия выделяется в направлениях вертикальных стрелок.
Вторым инженерным решением в попытке пробиться за ограничения, будет использование охлаждаемой до температуры жидкого азота медной системы. Это в 20–30 раз снижает сопротивление меди, и позволяет поднять плотность тока в десятки раз. Трюк, который позволит маленькому ST40 сравняться с большими дорогостоящими машинами по параметру Q и термоядерной мощности является довольно тупиковым — такое решение не позволяет перейти к токамаку, работающему больше 10 секунд. TE здесь надеются на высокотемпературную сверхпроводимость, однако требуемая инженерная плотность в центральной колонне тока (как минимум 100 ампер на квадратный миллиметр) довольно сложно достижима, с учетом объема, занимаемого электрической и температурной изоляцией, нейтронной защитой, структурной составляющей и т.п. Например, в тороидальных магнитах ИТЭР инженерная плотность тока — всего 11 А/мм^2. Это одно из сложнейших препятствий на пути сферических токамаков, и как его будет решать Tokamak Energy — неизвестно.
Кольцо для закрепления катушек компрессии-пересоединения внутри вакуумной камеры ST40. С одной проблемой из мира термоядерных магнитов — большими деформирующими пондемоторными силами инженеры Tokamak Energy уже столкнулись, но для энергопрототипа эти силы вырастут еще на порядок.
Как я уже говорил, этот проект вызывает смешанные чувства. Одно из них — безусловное удивление и даже восторг от параметров крошечной термоядерной установки, в теории затыкающей за пояс самые серьезные токамаки с государственным финансированием в сотни миллионов долларов. Второе чувство — разочарование от реальности.
В реальности «запуск» ST40 — это всего лишь набор вакуума и очистка внутренних поверхностей тлеющим разрядом в литиевой плазме (красивого зеленого цвета). Магнитная система до сих пор не собрана и не установлена на вакуумную камеру даже в простейшей конфигурации, хотя по планам годичной давности это должно было произойти на рубеже 16/17 года. До рекордов, затыкающих за пояс JET и JT-60U установка еще должна пройти несколько серьезных апгрейдов (установку криостата вокруг токамака, создание системы охлаждения магнитов жидким азотом, апгрейд системы питания магнитов на вдесятеро больший объем запасаемой энергии, установку инжекторов нейтрального луча и т.п.) — при таких темпах работы только эти задачи могут затянуться до 2025 года.
Хотя вакуумная камера ST40 — не такое уже и простое изделие, ее сложность гораздо меньше, чем всей установки, не говоря уже о последующих сверхпроводящих «ST*». Так что инженеры TE еще только в начале пути.
«Термоядерная мощность», про которую мы рассуждаем, говоря о Q, в случае ST40 тоже будет слегка виртуальной, пересчетной из нейтронного выхода DD плазмы (с которой в реальности будет работать ST40) на DT (впрочем этот пересчет из нейтронной мощности делается довольно однозначно). Связано это с тем, что работа с тритием означает совсем другой класс установки с многолетним получением лицензии на нее у атомного регулятора и скорее всего со строительством специального комплекса зданий. Возможно, TE уже ведут эту работу по получению в дальнейшем ядерных лицензий если не на эту, то на последующую машину, но пока это никак не афишируется, не видно в инженерных решениях и планах кампании. А именно ядерная составляющая токамаков является эдаким Эверестом, на который может забраться очень немного проектов — очень сложно, очень дорого и небезопасно. Ядерная составляющая в итоге определяет стоимость и инженерный облик энергоустановки, и «забывать» про нее — значит забыть про 50% трудоемкости и сложности.
Эти мысли плавно подводят нас к вопросу, на который у меня нет ответа — кто и зачем инвестирует сегодня деньги в термоядерные стартапы по всему миру? Последнее десятилетие виден явный бум таких проектов — Tokamak Energy, Tri Alpha Energy, General Fusion, Helion Energy и другие, при том, что рынок электроэнергетике в депрессии и строительство новых электростанций любого типа нерентабельно без субсидий, за исключением развивающихся стран. Если Tri Alpha развивает идею установки безнейтронного термояда, который, возможно, не потребует лицензирования, а General Fusion надеятся на то, что сработает идея «низкотехнологичного» термояда, то для более-менее традиционных схем сложно представить, как можно окупить такое — так же, как сложно представить себе окупаемость «ядерного реактора в каждый дом», несмотря на инженерную реализуемость подобной установки.
То ли инвесторы до сих пор находятся в парадигме 60-х…70-х, то ли надеются на новые рынки (например — замещения угольных электростанций в погоне за снижением выбросов СО2), то ли венчурная психология заставляет инвестировать в любые проекты для широких рынков (а рынок электроэнергетики все же один из самых больших). Однако факт остается фактом — в современном мире есть деньги, позволяющие проверять в железе многие «перпендикулярные» идеи, и возможно одна из них даст первую термоядерную энергию еще до выхода ИТЭР на полную мощность.
P.S. Использованы фотографии с инстаграмма Tokamak Energy, статья про инженерно-физический базис ST40 и по физической «философии» выбора размера токамака.
