В Великобритании запущен реактор термоядерного синтеза

После занявшей семь лет реконструкции в Великобритании снова начал действовать реактор термоядерного синтеза MAST (Mega Ampere Spherical Tokamak), расположенный в Центре термоядерной энергии в Калеме (Culham Centre for Fusion Energy). Теперь он носит название MAST Upgrade.

Десятилетия попыток использовать энергию, которая выделяется при слиянии ядер легких элементов, объясняются двумя преимуществами этого источника: легкодоступным и дешевым топливом — водородом — и значительным выходом энергии. Но создать необходимые для начала синтеза условия очень трудно. Чтобы два атомных ядра слились в одно более тяжелое, они должны сблизиться на достаточное расстояние. Этому препятствует электрическое отталкивание, ведь ядра имеют одинаковый (положительный) электрический заряд. В результате синтез наступает в очень сильно разогретом веществе, где тепловая энергия частиц достаточно велика, чтобы преодолеть это отталкивание. Поэтому специалистам по термоядерному синтезу приходится иметь дело с разогретой плазмой, которая постоянно стремится расшириться и остыть. Облако плазмы удерживают мощными магнитами. Название самого известного типа термоядерных реакторов «токамак» означает «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками».

Строительство реактора MAST в Калеме началось в 1997 году, в декабре 1999 года реактор заработал. MAST представляет собой сферический токамак. В отличие от обычных токамаков, где удерживаемая магнитными катушками плазма имеет форму тора, и стеллараторов, где этот тор выглядит смятым, в сферических токамаках внутренний радиус тора значительно уменьшен, поэтому облако плазмы в нем по форме близко к шару. Его обычно сравнивают с яблоком, из которого вырезана сердцевина. По замыслу конструкторов, это делает плазму стабильнее и позволяет снизить необходимую для удержания плазмы величину индукции магнитного поля. В MAST восемь кубических метров плазмы удерживались магнитным полем в 0,55 тесла. Хотя это очень сильное поле, оно слабее, чем у обычных токамаков. Например, российский токамак Т-15 в Курчатовском институте использует магнитное поле индукцией 3,6 тесла. В России имеется и свой сферический токамак — Глобус-15 в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе в Санкт-Петербурге (0,4 тесла).

Британские физики рассчитывают, что реконструкция MAST, начавшаяся в сентябре 2013 года и стоившая 55 миллионов фунтов, сделает его самым современным испытательным стендом технологий, критически важных для создания будущих термоядерных реакторов, вырабатывающих энергию.

Одна из самых заметных особенностей MAST Upgrade — дивертор Super-X. Дивертор — это часть токамака, которая предназначена для отвода избыточного тепла и примесей из плазмы. Когда существующие конструкции диверторов масштабируют на будущие электростанции, получается, что эти устройства будут испытывать очень высокие тепловые нагрузки и их необходимо будет заменять каждые несколько лет. Дивертор Super-X должен снизить тепловые нагрузки примерно в десять раз, что поможет решить одну из основных проблем коммерчески рентабельной термоядерной энергии.

Исследователи из Великобритании надеются, что MAST Upgrade продемонстрирует достаточное улучшение производительности, чтобы они могли продолжить реализацию плана по строительству демонстрационной электростанции на основе сферического токамака. Они начали работу над проектом STEP (Spherical Tokamak for Energy Production — сферический токамак для производства энергии) в прошлом году, получив государственное финансирование в размере 220 миллионов фунтов стерлингов. Ожидается, что полноценная электростанция будет построена к 2040 году.