Автор: профессор Владимир Высоцкий, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой математики и теоретической радиофизики Киевского национального университета имени Т. Шевченко. 

На прошлой неделе информационные агенства многих стран сообщили об успехе южнокорейских физиков, которые в Дайджоне на реакторе KSTAR (Korean Superconducting Tokamak Advanced Research) получили «один из мировых рекордов удержания плазмы» — удерживали плазму, разогретую до 50 млн. градусов в течение 70 сек индукционным методом, т.е. за счет тока, наводимого в плазменном шнуре.

Этот реактор был построен в 2007 году и как все токамаки имеет форму тора («бублика») с внешним радиусом 1,8 метра. Эксперименты по удержанию плазмы начались в 2011 г. Максимальная индукция магнитного поля в центре плазменного шнура — 3,5 тесла, максимальный ток в плазме — 2 мегаампер. Главная «изюминка» — полностью сверхпроводящая магнитная система, увеличивающая габариты установки до 8,6 метра в высоту и 8,8 метра в диаметре. Сверхпроводящие магниты, которые размещены на внутренней стенке тора, создают управляющее поле «Н-моду», которое должно препятствовать развитию разных типов плазменных нестабильностей, охлаждаются до температуры жидкого гелия -269⁰С и это позволяет резко снизить тепловые потери в обмотках этих электромагнитов. По этим параметрам KSTAR входит в десятку крупнейших в мире токамаков.

Сразу отметим, что по параметрам формируемой плазмы результат KSTAR действительно один из лучших в мире и южнокорейских физиков можно поздравить с  успехом.

Справедливости ради следует отметить, что они не являются абсолютными лидерами, т.к. их основные конкуренты (китайские ученые из института физики плазмы АН КНР) на установке EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) добились не менее впечатляющих результатов, удержав плазму при температуре 50 млн град. в течение 60 сек (по некоторым сообщениям — 100 сек),  но в режиме нагрева внешним инжектором, что потенциально позволяет удерживать плазму намного дольше, чем при индукционном нагреве, используемом в KSTAR.

Еще одна существенная деталь – в токамаке KSTAR плазма состояла не из наиболее оптимальной смеси дейтерия и трития, а из водорода и дейтерия, что удобно для экспериментов (тритий — радиоактивный газ), но никак не подходит для термоядерных реакций.

В заключение можно сделать несколько замечаний как относительно перспективности систем типа токамак, так и относительно метода решения проблемы энергетики за счет термоядерного синтеза.

Есть все основания утверждать, что оптимизм в отношении этой проблемы за последние десятилетия почти исчез, а ее реальная перспектива после 60 лет крайне дорогостоящих исследований становится все более туманной. Характерным примером является знаменитый токамак ITER, который строится с 2006 года во Франции. Начальная стоимость проекта ITER  была 5 млрд евро, плазму на нем планировали зажечь в 2016 году, а положительный выход энергии получить в 2027 г. Сейчас стоимость превышает 21 млрд евро, технологический пуск сдвигается на начало или средину 20-х годов, а выход на штатный режим  — на 2037 год.

Сложно прогнозировать, какая будет его стоимость к этому времени, но по тенденции очевидно, что она будет больше 30 млрд евро. Отметим, что тепловая мощность ITER ожидается на уровне 500 МВт  при мощности , вводимой в плазму, 50 МВт, что соответствует расчетному коэффициенту эффективности к=10.

Следует прокомментировать эти цифры. Из этих данных видно, что стоимость удельных затрат на создание единицы производства тепловой мощности в этой системе в 30 раз больше, чем при строительстве серийной АЭС! Кроме того, если блок АЭС рассчитан на работу в течение 30 лет (а реально такие блоки работают по 40-50 лет), то система токамак из-за воздействия высокотемпературной плазмы и сверхсильного потока нейтронов на электромагниты и стенки камеры  не сможет работать больше 5 лет.

Но и это не самое главное. Дело в том, что распространенный миф о высокой эффективности термоядерных систем основывается на некотором передергивании фактов – оценка эффективности проводится только по сопоставлению энергии, выделяемой при реакциях синтеза, и прямых затрат на нагрев и удержание плазмы.  Однако следует учесть, что последняя величина рассчитывается на основе учета электроэнергии, необходимой для этих затрат.

С другой стороны, такую энергию нужно где-то взять. Для атомной энергетики коэффициент преобразовании тепла в электричество можно легко определить, сопоставив тепловую мощность 3200 МВт типичного реактора ВВЭР-1000 с мощностью вырабатываемой на нем электроэнергии 1000 МВт, что приводит к величине 0.31 и ведет, в идеальном случае полного отсутствия других источников потерь, к электрической мощности ITER на уровне 150 МВт, т.е. к итоговому предельному коэффициенту эффективности к=3.5. Кроме того, необходимо участь достаточно низкую эффективность преобразования исходной электроэнергии на входе в генерируемую в плазме исходную мощность 50 МВт при использовании неиндукционных источников нагрева типа генераторв СВЧ и др., а также учесть очень большие дополнительные затраты на функционирование систем криогенного охлаждения сверхпроводящих электромагнитов, находящихся в непосредственной близости от сверхгорячего плазменного шнура. В этих системах полная эффективность также не превышает 30%, что, в итоге, снижает интегральный коэффициент эффективности ITER  до банальной и бессмысленной величины к=1.

Напомним, что реактор ITER считается наиболее эффективной системой (у остальных токамаков эффективность априори еще ниже).

Ученые из корейского Научно-исследовательского института термоядерного синтеза (National Fusion Research Institute, NFRI) установили новый мировой рекорд, удержав “шнур” высокотемпературной плазмы в течение 70 секунд в камере экспериментального реактора KSTAR (Korean Superconducting Tokamak Advanced Research).

Об этом сообщает Украинский Телекоммуникационный Портал.

“Все, чего нам удалось добиться при помощи реактора KSTAR, может быть использовано мировым сообществом” – рассказывает Кимен Ким (Keeman Kim), Генеральный директор института NFRI, – “И мы надеемся, что доля нашего вклада в международные исследования в области термоядерного синтеза станет весьма и весьма существенной”.

Для разогрева и удержания плазмы использовался новый неиндуктивный метод, совмещенный с рядом инновационных технологий, таких, как вращающееся магнитное поле сложной формы, которые позволили получить высокостабильное состояние плазмы.

Опытный реактор KSTAR находится в Тэджоне (Daejeon), в 160 километрах от Сеула. Сооружение этого реактора заняло более десятилетия, а в эксплуатацию он был введен в 2008 году. После этого конструкция реактора KSTAR подвергалась постоянной модернизации, что позволило увеличивать его эффективность.

Еще одним достижением ученых из NFRI стала разработка внутреннего барьера (internal transport barrier, ITB), который ограждает внутренние части реактора от пагубного воздействия высокотемпературной плазмы и который выводит наружу излишки энергии. Эффективность работы этого барьера позволила сократить количество затраченной на разогрев плазмы энергии, а данный случай является первым в истории практическим использованием барьера ITB в сверхпроводящем термоядерном реакторе.

СПРАВКА

Технология управляемого термоядерного синтеза, как ожидается, может дать человечеству «чистый» и безопасный источник энергии, работающий буквально на воде: в одном литре воды содержится столько же энергии, сколько выделится при сжигании 400 л нефти.

В отличие от процесса ядерного деления, где энергия освобождается в результате расщепления тяжелых ядер на легкие осколки, при термоядерном синтезе происходит слияние легких ядер в более тяжелые; при этом выделяется огромное количество тепла (подобные реакции синтеза являются источником энергии звезд).

На пути к океану термоядерной энергии каменем преткновения является неустойчивость плазмы.