Американские ученые представили сферический токамак нового типа

Лаборатория физики плазмы Принстонского университета сейчас работает над новой конструкцией термоядерного реактора. Свой реактор ученые называют «звездой в банке». Причем конструкция самой «банки» имеет очень важное значение. От ее формы и ряда других параметров зависит эффективность работы реактора.

Обычно центральный элемент токамака похож на пончик. Новая конструкция реактора Fusion Nuclear Science Facility (FNSF) больше напоминает яблоко. На сегодняшний момент наиболее совершенные сферические токамаки в мире — это NSTX-U в США и MAST в Великобритании. По мнению разработчиков сферический токамак позволяет проводить реакцию ядерного синтеза при гораздо меньших энергетических затратах, чем в случае традиционного токамака.

Дело в том, что размер отверстия в центре токамака, где формируется и удерживается плазма в сферических термоядерных реакторах может быть в два раза меньше, чем аналогичное отверстие в обычном реакторе. В сферическом реакторе плазма высокого давления формируется в относительно слабом магнитном поле, для создания которого нужно гораздо меньше энергии, чем это необходимо в стандартном аналоге.

Токама́к (тороидальная камера с магнитными катушками) — установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза. Плазма в токамаке удерживается не стенками камеры, которые не способны выдержать необходимую для термоядерных реакций температуру, а специально создаваемым комбинированным магнитным полем — тороидальным внешним и полоидальным полем тока, протекающего по плазменному шнуру. По сравнению с другими установками, использующими магнитное поле для удержания плазмы, использование электрического тока является главной особенностью токамака. Ток в плазме обеспечивает разогрев плазмы и удержание равновесия плазменного шнура в вакуумной камере. Этим токамак, в частности, отличается от стелларатора, являющегося одной из альтернативных схем удержания, в котором и тороидальное, и полоидальное поля создаются с помощью внешних магнитных катушек.

Ученые опубликовали информацию о своем проекте в авторитетном научном издании Nuclear Fusion (link is external). Пока что, говорят специалисты, о создании полноразмерного реактора, который можно использовать в коммерческих целях, говорить рано. Это только модели реального термоядерного реактора. Но в такой модели уже может быть получена первая энергия.

В Fusion Nuclear Science Facility (FNSF) будут испытаны материалы, которые считаются пригодными в качестве элементов конструкции термоядерного реактора. Возможно, в реакторе новой конструкции удастся получить уже самоподдерживающуюся термоядерную реакцию. В FNSF будет производиться тритий, который одновременно является и топливом. Изначально в реактор нужно будет загрузить определенное количество исходного топлива (дейтерий (2H) и тритий (3H)). Но затем, как надеются ученые, FNSF сможет на каждый потребленный атом трития синтезировать один атом того же изотопа водорода.

Специальная конструкция токамака обеспечит появление магнитного поля особой конфигурации. Это, в свою очередь, позволит избежать негативных последствий воздействия слишком высокой температуры на реактор. Различные элементы токамака могут быть извлечены независимо друг от друга для обслуживания или ремонта. Технические работы будут выполняться при помощи роботов, дистанционно.

Сверхпроводящие кольца заменят собой медь в токамаке нового типа. Такая замена будет иметь как положительный, так и отрицательный эффект. Положительный момент — это снижение затрат энергии. Отрицательный — потребуется дополнительная защита сверхпроводящих колец от температуры и радиации. Из-за этого придется несколько увеличить размеры установки. Ученые говорят, что недавние открытия в сфере сверхпроводников пригодятся для новых исследований. Если использовать открытые недавно высокотемпературные сверхпроводники, то часть проблем снимается.

«NSTX-U и MAST-U расширят текущие горизонты в физике, дадут новую информацию о высокотемпературной плазме и приблизит время коммерческих установок», — говорит руководитель проекта Стюарт Прейджер (Stewart Prager). Он также утверждает, что в реакторе MAST получение высокотемпературной плазмы высокой плотности будет проходить без проблем и отрицательных моментов для самой установки.

«Главная причина поиска новой конструкции токамаков — надежда провести реакцию ядерного синтеза с меньшей затратой ресурсов, чем в случае работы со стандартным токамаком», — говорит один из участников проекта. Вполне может быть, что сферические токамаки — это предтечи полноценных установок, которые дадут человечеству неисчерпаемый источник энергии. Возможно, время, когда «звезда в банке» начнет давать человечеству энергии, уже близко.