Китайские и немецкие вехи в исследованиях термоядерного синтеза: New Nuclear

13 апреля 2023 г.

Китайский токамак установил новый мировой рекорд по работе с плазмой в стационарном режиме с высокими ограничениями, а немецкие исследователи открыли способ создания меньших по размеру и более дешевых термоядерных реакторов. Между тем отчет Счетной палаты правительства США о достижении коммерческого термоядерного синтеза предупреждает, что еще предстоит преодолеть несколько проблем.

Токамак EAST (Изображение: Хэфэйский институт физических наук)

12 апреля китайский экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST), известный как «искусственное солнце», установил новый мировой рекорд и успешно достиг стационарного режима работы плазмы с высокими ограничениями в течение 403 секунд. Предыдущий рекорд составлял 101 секунду, установленный EAST в 2017 году.

Прорыв был достигнут после более чем 120 000 выстрелов в EAST, расположенном в Институте физики плазмы Академии наук Китая (ASIPP) в Хэфэе, провинция Аньхой.

Температура и плотность частиц значительно увеличились во время работы с плазмой с высоким уровнем удержания, что заложит прочную основу для повышения эффективности выработки электроэнергии будущих термоядерных электростанций и снижения затрат, сказал директор ASIPP Сун Юньтао. Синьхуа агентство новостей.

С момента начала работы в 2006 году EAST является открытой испытательной платформой для китайских и международных ученых для проведения экспериментов и исследований, связанных с термоядерным синтезом. В настоящее время завершен технический проект будущего Китайского термоядерного испытательного реактора (CFETR), который рассматривается как «искусственное солнце» следующего поколения, и он призван стать первым в мире демонстрационным термоядерным реактором.

Меньшие и более дешевые устройства

Между тем, исследователи из немецкого Института физики плазмы им. Макса Планка (IPP) нашли способ значительно уменьшить расстояние, необходимое между горячей плазмой в устройствах ядерного синтеза и стенкой сосуда.

Эксперимент токамака ASDEX Upgrade в IPP в Гархинге недалеко от Мюнхена служит планом для Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) и более поздних термоядерных электростанций. Там были разработаны важные элементы для ИТЭР. Условия работы плазмы и компоненты для последующих силовых установок уже проходят испытания.

Центральным элементом ASDEX Upgrade и всех современных установок магнитного синтеза является дивертор. Это часть стенки сосуда, которая отличается особой термостойкостью и требует сложной конструкции. Чтобы выдерживать высокие температуры, диверторные плитки ASDEX Upgrade, а также ITER сделаны из вольфрама, химического элемента с самой высокой температурой плавления (3422°C).

Без контрмер 20% термоядерной мощности плазмы достигло бы поверхностей дивертора. По этой причине в плазму добавляются небольшие количества примесей (часто азота). Они извлекают большую часть своей тепловой энергии, преобразовывая ее в ультрафиолетовый свет. Тем не менее край плазмы (сепаратрису) необходимо держать на расстоянии от дивертора, чтобы защитить его. В обновлении ASDEX до сих пор это было не менее 25 сантиметров (измеряется от нижнего наконечника плазмы — точки X — до краев дивертора).

Исследователям из IPP удалось сократить это расстояние до менее чем 5 сантиметров, не повредив стену.

«Мы случайно переместили край плазмы гораздо ближе к дивертору, чем планировали», — сказал физик IPP Тилманн Лант. «Мы были очень удивлены, что ASDEX Upgrade без проблем справился с этим».

«Поскольку плазма движется ближе к дивертору, объем вакуумной камеры можно использовать лучше», — сказал ИПП. «Первоначальные расчеты показывают, что если бы сосуд имел оптимальную форму, можно было бы почти удвоить объем плазмы при сохранении тех же размеров. Это также увеличило бы достижимую мощность синтеза».

«Мы имеем дело со значительным открытием в области термоядерных исследований», — сказал директор отдела IPP Ульрих Строт. «Излучатель X-point открывает для нас совершенно новые возможности в разработке силовой установки. Мы будем дальше исследовать теорию, лежащую в его основе, и попытаемся лучше понять ее с помощью новых экспериментов на ASDEX Upgrade».

Проблемы все еще остаются

Эти два объявления были сделаны после того, как Счетная палата правительства США (GAO) опубликовала отчет В заключение термоядерная технология сталкивается со многими проблемами, прежде чем она сможет производить коммерческую электроэнергию.

«Для достижения коммерческого синтеза необходимо преодолеть несколько проблем, и прогнозы заинтересованных сторон на этот график варьируются от 10 лет до нескольких десятилетий», — говорится в сообщении GAO. «Одна ключевая научная проблема связана с физикой плазмы, состоянием вещества, необходимым для термоядерного синтеза».

В отчете говорится, что исследователи добились успехов в понимании поведения горящей плазмы, но им не хватает экспериментальных данных, чтобы подтвердить их моделирование. Одной из ключевых инженерных задач является разработка материалов, способных десятилетиями выдерживать условия термоядерного синтеза, такие как экстремальные температуры и повреждения нейтронами, и не существует объекта, где материалы можно было бы полностью испытать. «В более общем плане задача извлечения энергии из термоядерного синтеза для обеспечения экономичного источника электроэнергии представляет собой несколько сложных системных инженерных проблем, которые еще предстоит решить».

В отчете отмечается, что несоответствие государственного и частного секторов, неопределенность регулирования и другие факторы также создают проблемы для развития термоядерной энергетики. Одной из областей несоответствия являются исследовательские приоритеты. Усилия государственного сектора отдают приоритет фундаментальной науке, но развитие термоядерной энергетики требует дополнительного внимания к технологиям и инженерным исследованиям. Другим фактором является неопределенность регулирования, которая может замедлить развитие термоядерной энергетики, хотя разработка соответствующих правил для обеспечения безопасности без ограничения развития затруднена.

GAO разработало четыре варианта политики, которые могут помочь решить эти проблемы или увеличить преимущества термоядерной энергии. Они определяют возможные действия политиков, в том числе законодательных органов, государственных учреждений, научных кругов, промышленности и других групп.

Исследовано и написано World Nuclear News

---

---