Крупнейший в мире экспериментальный термоядерный реактор токамак JT-60SA торжественно открыт 1 декабря 2023 года на востоке Японии в городе Нака, который поможет в поисках технологии, чтобы "укротить рукотворное солнце" – получить новый тип энергии для нужд людей.
В совместном проекте Японии и Европейского союза участвуют более 500 учёных и инженеров, а также более 70 компаний со всего мира.
Запуск реактора JT-60SA связан с изучением возможности использования термоядерного синтеза в качестве безопасного, крупномасштабного и безуглеродного источника энергии.
Реактор приблизит учёных к откртию технологии, при которой термоядерная реакция будет вырабатывать больше энергии, чем затрачивается на её запуск. Высота реактора с шестиэтажный дом, размещен в специальном ангаре в городе Нака, к северу от Токио.
Фото: Japan’s National Institutes for Quantum Science and Technology
Конструкция реактора — тороидальный корпус типа "токамак", в котором удерживается электронная плазма, разогретая до 200 миллионов градусов Цельсия.
Реактор JT-60SA должен будет поддерживать работу в течение 100 секунд. Реактор использует сверхпроводящие магниты и имеет самый большой на сегодня объём рабочей зоны в 135 кубометров.
Еще в октябре 2023 года сообщалось о получении плазмы на реакторе JT-60SA, так что нынешний официальный запуск можно считать формальностью.
Первая плазма токамака была получена 23 октября с силой тока около 130 килоампер. С тех пор были проведены многочисленные испытания для предотвращения утечки плазмы, увеличения тока плазмы, оптимизации управления током, формой и положением плазмы.
В начале ноября была получена "отклоненная" или диверторная плазма, которая во время работы реактора выводится магнитным полем в специально устроенные для этого периферийные узлы. Это способствует более высокой чистоте плазмы, более эффективному ее удержанию и, наконец, более высокой производительности реактора.
Во время церемонии открытия 1 декабря была продемонстрирована диверторная плазма с силой тока в 1 миллион ампер – говорится в сообщении.
Японский реактор является предшественником своего более мощного, размещенного во Франции и находящегося в процессе строительства Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР).
Пока что стройка сильно отстаёт от графика, но реактор ИТЭР будет крупнее японского собрата — объём его рабочей камеры составит 840 кубометров, а значит плазмы там получится удерживать намного больше и дольше.
Цель обоих проектов — заставить ядра водорода объединиться в один более тяжёлый элемент — гелий, высвобождая в результате реакции энергию в виде света и тепла. Аналогичные реакции происходят внутри естественных термоядерных реакторов — звёзд, в том числе нашего Солнца.
Заместитель руководителя проекта JT-60SA Сэм Дэвис (Sam Davis), отметил, что реактор "приблизит нас к получению энергии термоядерного синтеза". Это результат сотрудничества учёных и инженеров Европы и Японии.
Комиссар ЕС по энергетике Кадри Симсон (Kadri Simson) заявил, что JT-60SA "самый передовой токамак в мире" и назвал начало его работы "важной вехой в истории термоядерного синтеза". "Термоядерный синтез имеет потенциал стать ключевым компонентом энергетического баланса во второй половине двадцать первого века", — подчеркнул Симсон.
В декабре 2022 года американские учёные из Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса (LLNL) смогли достичь термоядерного воспламенения — самоподдерживающейся реакции термоядерного синтеза, в ходе которой на выходе получается больше энергии, чем было потрачено на её запуск.
Однакоо в американской установке, в отличие от ИТЭР и JT-60SA, используется метод, известный как инерционный термоядерный синтез, при котором высокоэнергетические лазеры одновременно направляют пучки энергии в цилиндр размером с напёрсток, содержащий водород. Правительство США назвало полученный результат "эпохальным достижением" в поиске источника неограниченной, экологически чистой энергии и прекращения зависимости от ископаемых видов топлива.
Технология получения энергии из ядерного синтеза находится сейчас на начальном этапе развития, но рассматривается некоторыми учёными как ответ на быстро растущие энергетические потребности человечества.
Термоядерный синтез отличается от реакций деления, которые используются в современных атомных электростанциях, тем, что два ядра атомов соединяются, а не делятся.
В отличие от реакций деления, термоядерный синтез не несёт в себе рисков катастрофических ядерных аварий. При термоядерном синтезе выделяется гораздо меньше радиоактивных отходов, чем в результате работы современных атомных электростанций.
Ядерный синтез – это процесс, происходящий в звездах. Он высвобождает огромное количество энергии, когда атомные ядра соединяются вместе в более крупные. Простейшие типы термоядерного синтеза подпитываются водородом, который на Земле можно относительно легко добывать из воды. Поскольку звезды огромны, реакция синтеза идет в них при очень высоком давлении. На Земле такое давление невозможно, поэтому реакции синтеза должны происходить при очень высоких температурах, а чтобы их достичь, надо сначала потратить энергию.
Эта технология находится в зачаточном состоянии, но некоторые считают, что за ней будущее. Важной целью в исследованиях термоядерной энергетики было получение большего количества энергии от реакции, чем затраты на ее выработку. И наука уже пересекла этот предел.
Несмотря на то, что исследования и эксперименты в сфере термоядерного синтеза продолжаются уже десятки лет, а в мире построены сотни реакторов, пока не удается использовать этот вид энергии для коммерческих целей. Мы еще не умеем удерживать плазму продолжительное время и еще не решили ряд проблем. Поэтому этот метод пока остается на будущее.
Японский токамак создан на базе JT-60, который работал с 1980-х годов. Отработав более 20 лет и пережив две модернизации, реактор достиг предела возможностей — было решено заменить его элементы на более совершенные.
Принцип работы японской установки будет отличаться от ИТЭР — проекта, который реализуется в Европе.
Реактор JT-60SA работает не за счет синтеза дейтерия и трития, а вместо этого будет использовать сначала водород, а затем дейтерий для изучения поведения плазмы, что позволяет ему становиться лишь минимально радиоактивным в течение всего срока службы, обеспечивая гораздо большую гибкость для модернизации.
Возможности реактора рассчитаны на то, чтобы удерживать плазму до 100 секунд, что является очень хорошим результатом, хотя нынешний рекорд – 403 секунды. Для этого JT-60SA оснащен сверхпроводящими магнитами, способными генерировать мощные магнитные поля.
Конструкция реактора позволяет оптимизировать форму плазмы, сделав ее более вытянутой и "треугольной", для улучшения удержания, а создатели JT-60SA надеются достичь "безубыточности" – при которой энергия, выделяемая в результате реакций термоядерного синтеза, превзойдет потребляемую.
