В последний день работы токамак МТИ поставил новый мировой рекорд давления плазмы
Ученые и инженеры из Массачусетского технологического института побили собственный мировой рекорд по давлению плазмы — ключевого компонента для получения энергии из термоядерного синтеза в токамаке. В атомном реакторе Alcator C-Mod был достигнут результат в 2,05 атмосфер, что на 15% выше предыдущего.
Эксперимент был произведен в последний день эксплуатации Alcator C-Mod — 23 сентября 2016 года. Финансирование проекта закончили. Реактор Alcator C-Mod находился в эксплуатации МТИ уже 23 года, и за это время он неоднократно ставил рекорд давления плазмы в токамаке. Предыдущий в 1,77 атмосфер был установлен в 2005 году.
C-mod — единственный в мире компактный реактор термоядерного синтеза, который может создать магнитное поле индукцией 8 Теста — в 160 раз сильнее магнитного поля Земли. Оно позволяет создавать плотную, горячую плазму, которая может быть стабильной при температуре выше 80 миллионов градусов Цельсия.
Чтобы добиться рекордного эффекта, исследователи МТИ создали магнитное поле силой 5,7 тесла. Этого хватило, чтобы нагреть плазму до 35 миллионов градусов Цельсия — температуры, в два раза превышающей жар солнечного ядра. Во время эксперимента в плазме произошло 300 триллионов реакций синтеза в секунду, которые в совокупности сгенерировали 1,4 миллиона ватт электроэнергии.
«Этот результат подтверждает, что высокое давление, необходимое для горения плазмы, лучше всего достигается с токамаками высокой напряженности магнитного поля, такими, как C-Mod Alcator» — говорит Риккардо Бетти, профессор факультета инженерной механики и астрономии Рочестерского университета. В организации эксперимента помимо физиков МТИ приняли участие ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы, национальной лаборатории Ок-Ридж и компании General Atomics.
«Это замечательное достижение, которое выдвигает на первый план весьма успешную программу Alcator C-Mod в Массачусетском технологическом институте. Рекордное давление плазмы приближает к практической энергии термоядерного синтеза» — отмечает Дейл Мид, бывший заместитель директора Принстонской лаборатории физики плазмы, который не был непосредственно вовлечен в эксперимент.
Чтобы реакция термоядерного синтеза успешно протекала на Земле, нужно научиться удерживать горячую (выше 50 миллионов градусов) плазму в токамаке в стабильном состоянии под высоким давлением в определенном объеме.Величина мощности производства возрастает пропорционально квадрату давления — поэтому его удвоение приводит к четырехкратному увеличению производства энергии. Именно поэтому пока что особое внимание ученые Массачусетского технологического института уделяют этой переменной. Их токамак лидирует по показателям давления, а двум другим переменным — объему и температуре — внимания уделяют мало. Сотрудники МТИ уверены: если ученым всего мира удастся решить проблему давления, можно будет сказать, что 2/3 пути к получению источника термоядерной энергии уже пройдены.
Термоядерный синтез — тот же самый процесс, который происходит в недрах Солнца. По сути, звезда является природным термоядерным реактором. Энергии, которая выделяется во время синтеза, достаточно для излучения мощных потоков света и частиц. Если на Земле удастся воспроизвести условия, при которых два легких атомных ядра смогут объединиться в более тяжелое, преодолев силы отталкивания, то в долгосрочной перспективе человечество сможет заменить традиционные атомные электростанции. У такого решения масса преимуществ. Основные компоненты топлива — дейтерий и тритий — извлекаются из воды и лития. Дейтерия нам хватит на миллионы лет, лития — на несколько сотен лет. Кроме того, электростанции будут более безопасными. Плотность топлива в реакционном пространстве будет очень низкой: в пределах 1 грамма топлива дейтерия/трития на 1000 кубических метров. Любой сбой охладит плазму и остановит реакции, а дейтерий, литий и полученный в ходе реакции гелий — не радиоактивны. Опасность представляет только тритий, но его период полураспада составляет всего 12,6 лет. Он будет производиться и использоваться в атомном реакторе, поэтому конструкции атомных станций будут проектироваться таким образом, чтобы избежать его выпуска. И, наконец, на электростанциях будущего энергия будет вырабатываться без отработавшего ядерного топлива. Именно поэтому ученые всего мира прилагают столько усилий, чтобы достичь цели, несмотря на то, что для этого может потребоваться ни один десяток лет.
Сегодня главным препятствием на пути является тот факт, что реакторы используют больше энергии, чем создают. Во время вращения раскаленной плазмы происходят кратковременные вспышки, которые токамаки пока не могут выдерживать долго. 6 минут и 30 секунд — это рекорд, который смог установить французский токамак в 2003 году. В идеале необходимо создать реактор, который сможет производить самоподдерживающуюся плазму. Поэтому 35 стран, в том числе Россия, США, Китай и Евросоюз, сейчас вкладывают деньги в строительство реактора ITER во Франции, который должен решить эту проблему. Правительство США, также заинтересованное в строительстве, решило отказаться от финансирования Alcator C-Mod в пользу ITER. В реализации этого проекта, по сути, используются самые важные и существенные достижения, которых удалось добиться в конструкциях и материалах для C-Mod.
Теперь группа ядерного синтеза МТИ будет пытаться использовать новые высокотемпературные сверхпроводники, которые могут производит магнитные поля сильнее без нагревания и потребления электроэнергии. Эти сверъпроводники должны стать основой проекта реактора Affordable Robust Compact, мощностью 270 Мегаватт. Предполагается, что ARC сможет производить такое же количество энергии, как и ITER, но будет в два раза меньше по размеру.
