Перспектива энергетики завтрашнего дня с дешевой, эффективно генерируемой энергией, обеспечиваемой термоядерными реакторами, все еще остается в виде видений, а не конкретики. Но, возможно, эта перспектива приближается – и на удивление быстро. Это можно объяснить двумя новыми достижениями в работе над термоядерными реакторами и обеспечением управляемости происходящего в них термоядерного синтеза.
Как известно, основной проблемой, которую ставит перед учеными и конструкторами ядерный синтез, является вопрос управления им энергоэффективным способом — чтобы энергия, получаемая в результате этого процесса, была соответственно больше, чем энергия, необходимая для того, чтобы не дать вращающейся сверхгорячей плазме в токамаках (т.е. термоядерных реакторах кругового действия, в которых непосредственно происходят термоядерные реакции) разрушить все устройство. Над многими уже работали решения, которые способствуют достижению этой цели – и вот появились две новые идеи.
Вихревая плазма
Американская группа из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) под руководством Эрика Эмди. решил головоломку асимметричная тепловая нагрузка в диверторе токамака с использованием экспериментальных данных токамака DIII-D в Калифорнии. Ключевым фактором оказалась скорость вращения тороидальной плазмы в ядре — 88,4 км/с. Предыдущие модели не полностью учитывали взаимодействие этого вращения с дрейфами, поперечными магнитному полю, что приводило к расхождениям между моделированием и наблюдениями.
В диверторе частицы плазмы, выходящие из магнитопровода, попадают на металлические пластины неравномерно: на внутренний экран их попадает гораздо больше, чем на внешний. Применение кода SOLPS-ITER для моделирования четырех сценариев (С и без боковые сносы, С и без вращение) показало, что только включение измеренного вращения ядра позволяет точно составить карту распределения частиц. Параллельное течение вдоль силовых линий магнитного поля, генерируемое вращением ядра, оказывает эффект, сравнимый с поперечным дрейфом.
Результаты исследования, свидетельствующие об этом, были опубликованы в начале апреля. позволяют точно прогнозировать поведение дивертора в условиях эксплуатации будущих реакторов, что необходимо для сохранения структурной целостности при тепловых нагрузках в мегаваттах на квадратный метр — и это те условия, которые порождает термоядерный синтез как процесс, и которые представляют собой одну из самых больших проблем для его эффективного использования.
Сварка в вольфрамовых кандалах
Параллельно немецкий консорциум исследователей из Института физики плазмы Макса Планка (IPP), IoLiTec и Fraunhofer IPA разработал новый метод электрохимическое осаждение слоя чистого вольфрама на внутренние стенки термоядерных реакторов. В методе используются безводные электролиты на основе ионных жидкостей и органических растворителей. Осаждение чистого вольфрама электрохимическим методом до сих пор не было возможным ни в лабораторных, ни в промышленных масштабах, поскольку низкий потенциал перенапряжения водорода в водных электролитах приводил к выделению вместо металла только водорода.
Новая технология позволяет наносить тонкие однородные слои вольфрама на подложки из других материалов вместо того, чтобы изготавливать целые элементы из массивного вольфрама, что могло бы сделать весь проект нерентабельным. Вольфрам, элемент с температурой плавления выше 3000 °С, характеризуется устойчивостью к тепловым нагрузкам до 10 МВт/м² на поверхностях, подвергающихся воздействию плазмы, образующейся при термоядерном синтезе. Его использование в качестве настенного покрытия снижает эрозию и деградацию под воздействием потока высокоэнергетических частиц и тепла.
Традиционная переработка вольфрама неэкономична из-за его редкости (миллионная доля земной коры), статуса конфликтного минерала и механических сложностей. Между тем, электрохимическое осаждение снижает расход материала и затраты, сохраняя при этом термические и механические свойства поверхности.
Капля за каплей
Оба достижения – точное моделирование распределения тепла в диверторе токамака и масштабируемая технология вольфрамового покрытия – напрямую устраняют два ключевых технических ограничения реакторов магнитного синтеза: управление рассеянием мощности и долговечность материалов первых стенок. Решение задачи асимметрии в DIII-D позволяет оптимизировать геометрию дивертора в таких проектах, как ИТЭР или ДЕМО, а немецкий электрохимический метод открывает путь к экономичному производству компонентов с необходимой термической стойкостью.
Эти решения, основанные на проверенных экспериментальных данных и данных моделирования, сокращают разрыв между лабораториями и демонстрационными реакторами, хотя, конечно, полностью освоенный термоядерный синтез по-прежнему требует интеграции этих решений в масштабе прототипа. А затем – в промышленном секторе. И то, и другое не будет ни простым, ни дешевым, но, возможно, наконец-то осуществимым.
