Термоядерный реактор побил энергетический рекорд

Экспериментальный «Совместный европейский тор» удвоил рекорд по количеству энергии, вырабатываемой при слиянии атомов — процессе, который питает Солнце.

• Элизабет Гибни

1. Элизабет Гибни

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar.

24-летний рекорд ядерного синтеза рухнул. Ученые из Объединенного европейского тора (JET) недалеко от Оксфорда, Великобритания, объявили 9 февраля, что они сгенерировали самый высокий устойчивый импульс энергии, когда-либо созданный путем слияния атомов, более чем вдвое превзойдя свой собственный рекорд по результатам экспериментов, проведенных в 1997 году.

«Эти знаменательные результаты сделали нас на огромный шаг ближе к решению одной из самых больших научных и инженерных задач из всех», — сказал Ян Чепмен, руководитель Центра термоядерной энергии Калхэма (CCFE), где базируется JET, в заявлении. . Управление по атомной энергии Великобритании размещает JET, но его научная программа находится в ведении европейского сотрудничества под названием EUROfusion.

Погоня за термоядерной энергией

Если исследователи смогут использовать ядерный синтез — процесс, который питает Солнце, — он обещает предоставить почти безграничный источник чистой энергии. Но до сих пор ни один эксперимент не произвел больше энергии, чем было затрачено.Результаты JET не меняют этого, но они предполагают, что последующий проект термоядерного реактора, использующий ту же технологию и топливную смесь — амбициозный ИТЭР стоимостью 22 миллиарда долларов США, который должен начать термоядерные эксперименты в 2025 году — в конечном итоге должен достичь эта цель.

«JET действительно добился того, что было предсказано. То же самое моделирование теперь говорит о том, что ИТЭР будет работать», — говорит физик термоядерного синтеза Жозефина Пролл из Технологического университета Эйндховена в Нидерландах, которая работает над реактором другого типа, называемым стелларатором. «Это очень, очень хороший знак, и я взволнован».

Два десятилетия работы

«Эксперименты — кульминация почти двух десятилетий работы — важны для того, чтобы помочь ученым предсказать, как будет вести себя ИТЭР, и будут определять его рабочие настройки», — говорит Энн Уайт, физик плазмы из Массачусетского технологического института в Кембридже, работающая над токамаками. , реакторы, которые, как и JET, имеют форму бублика. «Я уверен, что не одинок в сообществе специалистов по термоядерному синтезу, кто хочет сердечно поздравить команду JET».

США установили рекорд по лазерному термоядерному синтезу: что это значит для исследований в области ядерного оружия

JET и ITER используют магнитные поля для удержания плазмы, перегретого газа изотопов водорода, в токамаке. Под действием тепла и давления изотопы сливаются в гелий, высвобождая энергию в виде нейтронов.

Чтобы побить энергетический рекорд, JET использовал топливо, состоящее из равных частей трития и дейтерия — той же смеси, которая будет питать ИТЭР, который строится на юге Франции. Тритий — редкий и радиоактивный изотоп водорода; когда он сливается с изотопом дейтерия, в реакциях образуется гораздо больше нейтронов, чем в реакциях только между частицами дейтерия. Это увеличивает выход энергии, но JET пришлось более двух лет модернизировать, чтобы подготовить машину к натиску. В последний раз тритий использовался в термоядерном эксперименте на токамаке, когда JET установила свой предыдущий рекорд в 1997 году.

В ходе эксперимента, проведенного 21 декабря 2021 года, токамак JET произвел 59 мегаджоулей энергии за 5-секундный «импульс» термоядерного синтеза, что более чем вдвое превышает 21,7 мегаджоулей, выпущенных в 1997 году, примерно за 4 секунды. Хотя эксперимент 1997 года по-прежнему сохраняет рекорд «пиковой мощности», этот всплеск длился всего доли секунды, а средняя мощность эксперимента была меньше половины мощности последнего теста, говорит Фернанда Римини, ученый-плазмотехник из CCFE. который руководил прошлогодней экспериментальной кампанией. По ее словам, на усовершенствование ушло 20 лет экспериментальной оптимизации, а также модернизация оборудования, которая включала замену внутренней стенки токамака, чтобы тратить меньше топлива.

Коэффициент мощности

По словам Римини, производство энергии в течение нескольких секунд необходимо для понимания нагрева, охлаждения и движения, происходящих внутри плазмы, что будет иметь решающее значение для запуска ИТЭР.

Пять секунд – это «большое дело», добавляет Пролл. «Это действительно впечатляет».

В прошлом году Национальный завод по воспламенению Министерства энергетики США установил другой рекорд термоядерного синтеза: он использовал лазерную технологию для получения самой высокой зарегистрированной выходной мощности термоядерного синтеза по отношению к входной мощности, значение, называемое Вопрос, где 1 будет генерировать столько энергии, сколько потребляется. Вопрос 0,7 — ориентир для лазерного термоядерного синтеза, который побил рекорд JET 1997 года. Но событие было недолгим, произведя всего 1,3 мегаджоуля менее чем за 4 миллиардные доли секунды.

Последний эксперимент JET выдержал Вопрос 0,33 за 5 секунд, говорит Римини. JET — это уменьшенная версия ITER, объем которой составляет одну десятую — ванна по сравнению с бассейном, — говорит Пролл. Он легче теряет тепло, чем ИТЭР, поэтому никогда не ожидалось, что он выйдет на безубыточность. По ее словам, если бы инженеры применили к ИТЭР те же условия и подход к физике, что и к JET, он, вероятно, достиг бы своей цели — Вопрос из 10, производя в десять раз больше энергии.

Исследователи термоядерного синтеза далеки от ответов на все вопросы.Оставшаяся проблема, например, связана с теплом, выделяемым в выхлопной зоне реактора ИТЭР. Выхлоп ИТЭР будет иметь большую площадь, чем у JET, но это увеличение не будет пропорционально скачку мощности, с которым ему придется иметь дело. В настоящее время ведутся исследования, чтобы определить, какая конструкция должна лучше всего выдерживать жару, но исследователей еще нет, говорит Пролл.

Рекордный пробег JET произошел в последний день пятимесячной кампании, из которой, по словам Римини, ученые получили огромное количество информации, которую они будут анализировать в течение следующих нескольких лет. Последний эксперимент довел устройство до «абсолютного максимума», добавляет Римини, который стал свидетелем знаменательного испытания в режиме реального времени. «Мы не прыгали и не обнимали друг друга — мы были на расстоянии 2 метров — но это было очень волнующе».

Эксперименты с тритием могут стать лебединой песней JET. В прошлом году EUROfusion приняла решение прекратить деятельность JET в конце 2023 года, через 40 лет после ее начала. UKAEA заявило, что планирует прекратить эксперимент; Аппаратное обеспечение JET и опыт эксплуатации должны найти применение в других проектах на площадке.

Природа 602, 371 (2022)