В Германии 10 декабря 2015 года успешно запущен термоядерный реактор Wendelstein 7-X, в котором удержание плазмы происходит по принципу стелларатора. На проект стоимостью более миллиарда евро немцы возлагают большие надежды. Как и физики, которые связывают будущее энергетики с управляемым термоядерным синтезом.
Рост населения Земли, исчерпание природных ресурсов и загрязнение окружающей среды — все это приводит к необходимости использовать альтернативные источники энергии. Управляемый термоядерный синтез в этом случае представляется святым Граалем энергетики, поскольку топливом для него является тяжелая вода, содержащая изотопы водорода — дейтерий и тритий.
При использовании дейтерия, содержащегося в бутылке воды, выделится столько же энергии, сколько при сжигании бочки бензина: калорийность термоядерного топлива в миллион раз выше любого из современных неядерных источников энергии. При этом окружающей среде будет нанесен минимальный вред, а топливо для термоядерной электростанции доступно всем без исключения странам.
В термоядерных реакторах происходят реакции синтеза тяжелых элементов из легких (образования гелия в результате слияния дейтерия и трития), в отличие от обычных (ядерных) реакторов, где инициируются процессы распада тяжелых ядер на более легкие. Сегодня в мире существуют два перспективных проекта термоядерных реакторов: токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) и стелларатор. В обеих установках плазма удерживается магнитным полем, но в токамаке она имеет форму тороидального шнура, по которому пропускается электрический ток, а в стеллараторе магнитное поле наводится внешними катушками. Последнее является главным отличием стелларатора от токамака и обуславливает сложную конфигурацию в нем магнитного поля.
В стеллараторе магнитные поверхности, удерживающие плазму в состоянии равновесия, создаются сложной системой внешних проводников на вакуумной камере (внутри которой и находится топливо), из-за чего конечная форма плазменного шнура так далека от идеальной тороидальной формы. Между тем в токамаке удержание плазмы происходит благодаря магнитному полю от вихревого электрического поля. Это означает, что токамак может работать (без вспомогательных устройств) исключительно в импульсном режиме, тогда как стелларатор способен в течение длительного времени работать в непрерывном (стационарном) режиме.
Токамак ASDEX
Фото: MPI for Plasma Physics
Конструкцию стелларатора впервые предложил в 1951 году американский физик Лайман Спитцер. Свое название реактор получил от латинского stella — звезда, поскольку внутри реактора температура сравнима с достигаемыми внутри ядра Солнца. Первоначально стелларатор считался популярным кандидатом для термоядерного реактора, однако впоследствии его потеснила концепция токамака, предложенная в 1951 (и рассекреченная в 1956 году) советскими физиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом.
Термоядерный реактор из СССР был проще и дешевле стелларатора. Во многом это связано с необходимостью высокоточных расчетов конфигурации магнитных полей для стелларатора, которые для Wendelstein 7-X были произведены на суперкомпьютере, а также ограниченностью материалов для строительства установки. Споры о том, что лучше — стелларатор или токамак, — не утихают до сих пор, а выяснение того, кто в чем прав, обходится налогоплательщикам в сотни миллионов долларов.
В Германии введен в строй именно стелларатор. Установка Wendelstein 7-X находится в немецком Институте физики плазмы Общества имени Макса Планка в городе Грайфсвальд. Реактор состоит из 50 сверхпроводящих ниобий-титановых катушек около 3,5 метров в высоту и общим весом около 425 тонн, способных создавать магнитное поле индукцией три тесла, удерживающее плазму с температурой 60-130 миллионов градусов Цельсия (это в несколько раз выше, чем температура в центре солнечного ядра). Большой радиус плазмы равен 5,5 метра, малый радиус — 0,53 метра. Объем плазмы может достигать 30 кубических метров, а ее плотность — три на десять в двадцатой степени частиц на кубический метр. Вся конструкция окружена криостатом (прочной теплоизолирующей оболочкой) диаметром 16 метров.
Модель стелларатора Wendelstein 7-X, тороподобная геометрия магнитного поля и их сравнение с размерами человека
Изображение: MPI for Plasma Physics
Перечисленные параметры делают Wendelstein 7-X самым мощным стелларатором в мире. Его ближайший конкурент — LHD (Large Helical Device) — расположен в японском городе Токи. В России единственный действующий стелларатор «Л-2М» находится в Институте общей физики Российской академии наук и из-за ограниченного финансирования продолжительное время не подвергается модернизации. Кроме перечисленных, стеллараторные возможности имеются и в других странах, в частности в Австралии и на Украине.
Зеленый свет на возведение Wendelstein 7-X правительство Германии дало в 1993 году, в следующем году в Грайфсвальде был создан филиал Института физики плазмы, куда перешли работать 50 сотрудников головного учреждения из Гархинга. В настоящее время над Wendelstein 7-X работают более 400 человек. Возведение Wendelstein 7-X было тяжелым процессом.
География участников проекта Wendelstein 7-X (на территории Европы)
Изображение: MPI for Plasma Physics
Создание подобного рода установок — чрезвычайно трудная технологическая задача. Главная проблема, с которой столкнулись строители стелларатора, заключалась в нехватке сверхпроводящих магнитов, имеющих специальную геометрию и охлаждаемых гелием. К 2003 году в ходе промышленных испытаний была забракована и возвращена поставщикам примерно треть таких магнитов. В 2003 и 2007 годах проект Wendelstein 7-X был на грани закрытия. За это время его стоимость возросла по сравнению с первоначально запланированной в два раза — до 1,06 миллиарда евро. Проект Wendelstein 7-X к настоящему времени занял 1,1 миллиона человеко-часов.
В мае 2014 года Институт физики плазмы отчитался о завершении строительства стелларатора, после чего провел необходимые пусконаладочные работы и дождался согласия национального регулятора на запуск.
Строительство Wendelstein 7-X
Фото: Bernhard Ludewig / IPP
Свои эксперименты ученые планируют провести в три этапа. На первом этапе, начавшемся 10 декабря, физики проведут опыты с получением в реакторе гелиевой плазмы, которую нужно удерживать в равновесном состоянии 1-2 секунды. В ходе испытаний первой фазы ученые собираются проверить работу систем реактора и при возникновении неисправностей оперативно их устранять.
Выбор для начала запуска гелия обусловлен относительной легкостью (по сравнению с водородом) его перевода в состояние плазмы. На конец января 2016 года намечены испытания с водородной плазмой. После успешного завершения второй фазы экспериментов ученые надеются удерживать на Wendelstein 7-X водородную плазму в течение десяти секунд. Конечные цели проекта, которых физики хотят достигнуть на третьем этапе, — удержать плазму в реакторе до получаса и одновременно с этим добиться значения параметра β, равного 4-5 (в процентах). Это число определяет отношение давления плазмы к давлению удерживающего ее магнитного поля.
Одни из лучших результатов в этом направлении достигнуты на LHD, где (не одновременно) удалось добиться β = 4,5 со временем удержания плазмы около часа. Немецкий Wendelstein 7-X в настоящее время не является конкурентом строящегося токамака ИТЭР (Международный экспериментальный термоядерный реактор): в немецком городе Гархинге уже есть свой токамак ASDEX (Axially Symmetric Divertor Experiment) того же Общества имени Макса Планка, который до запуска Wendelstein 7-X был крупнейшим термоядерным реактором в ФРГ (в этом же городе с 1988-го по 2002 год действовал другой стелларатор — Wendelstein 7-AS). Физики, работающие на этом токамаке, как и их зарубежные коллеги, признают приоритет ИТЭР в экспериментах с управляемым термоядерным синтезом над национальной программой, так что использование ASDEX, как и Wendelstein 7-X, сводится пока лишь к отработке перспективных технологий.
Вакуумная камера Wendelstein 7-X с плазмой в ходе испытаний 10 декабря
Фото: MPI for Plasma Physics
Испытания, проведенные в первый день запуска стелларатора, признаны успешными. Физикам удалось при помощи микроволнового импульса мощностью 1,3 мегаватта нагреть один миллиграмм газообразного гелия до температуры в миллион градусов Цельсия и удержать полученную плазму в равновесии в течение 0,1 секунды. Ученые отследили характеристики магнитного поля полученной плазмы и запустили компьютерную систему контроля над магнитным полем. В их ближайшие задачи входит постепенное наращивание мощности излучения и повышение температуры плазмы.
В отличие от токамаков, стеллараторы являются темными лошадками — с ними проводилось меньше экспериментов, а полученные в последнее время результаты обнадеживают. В том случае если установка Wendelstein 7-X оправдает возлагаемые на нее надежды, физики сделают выводы о возможности использования стеллараторов в качестве термоядерных электростанций будущего. Так или иначе, ясно одно: получение практически неисчерпаемого источника энергии требует не только взаимодействия международного сообщества ученых и государств мира и привлечения огромных финансовых средств, но и завидного терпения и уверенности в успешности проекта. Всего этого хочется пожелать немецким исследователям.
Видео: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik