ТОКАМАК Т-15МД в национальном исследовательском центре (НИЦ) "Курчатовский институт"

18 мая 2021 года человечество сделало первый шаг к неисчерпаемому источнику энергии будущего.

Ещё более приятным является тот факт, что к этому приложены усилия российских учёных и специалистов.

Официально запушен модернизированный термоядерный реактор типа ТОКАМАК Т-15МД.


Это довольно крупная установка, и в то же время уникальная по ряду физических характеристик.

Т-15МД – это не просто очередной "ТОКАМАК" для проведения исследований термоядерных процессов, как, например, ранее запущенный китайский ТОКАМАК «HL-2M». Наш реактор представляет куда больший интерес как в научном плане, так в энергетическом.


Китайский ТОКАМАК «HL-2M», запущенный в 2020 году. Наш "Т-15МД" в 2 раза больше, а магнитное поле на 39% мощнее.

Хотя основной задачей Т-15МД является отработка технологий и параметров в рамках реализации международного экспериментального термоядерного реактора «ITER», но помимо этого реактор поможет модернизировать электрические магнитоплазменные двигатели, которые планируется устанавливать в будущем на большинство космических кораблей, в том числе и на Ядерный Буксир (ТЭМ) Роскосмоса.


Принцип действия магнитоплазменного двигателя.

Но самое главное – это открытие нового направления в ядерной энергетике. В ТОКАМАК "Т-15МД" при модернизации были заложены новые возможности по использованию полезной энергии нейтронов, которые высвобождаются в результате термоядерных реакций, что может решить проблему экономической целесообразности использования термоядерной энергетики.

Деле в том, что несмотря на казалось бы бурное развитие в 50-60-х годах 20 века новых видов термоядерных установок и общий прогресс в термоядерных исследованиях, мы до сих про не смогли получить самоподдерживающуюся термоядерную реакцию с чистым выходом энергии, превышающим затраченную на запуск термоядерной реакции.

Ситуацию осложняет физика плазменных процессов, которая ещё далека от нашего понимания. В 1980-х годах ТОКАМАки нового поколения: JET (Европейский союз), JT-60 (Япония), Т-15 (СССР) и TFTR (США) - по всем расчётам учёных должны были достичь критерия Лоусона, что позволило бы начать изучение термоядерной плазмы, собственно самоподдерживающейся реакции и способов управления ею.


Критерий Лоусона позволяет оценить, будет ли термоядерный синтез в заданном реакторе источником энергии. На диаграмме представлены разные поколения ТОКАМАКов и их соотношения к критерию Лоусона.

Однако плазма оказалась куда более сложным агрегатным состоянием вещества, и этот факт поставил учёных в очередной технологический тупик.

Даже удержать плазму температурой в 100 миллионов градусов Цельсия оказалось задачей тысячелетия, не говоря уж об управлении ею. Получив практические результаты но новых ТОКАМАКах, учёные пришли к выводу, что реализовать термоядерную энергетику в одиночку будет не под силу ни одной стране мира. И только международная кооперация для решения этой проблемы даст всем шанс на положительный исход. Именно исходя из этих соображений стартовал проект «ITER», где собраны самые передовые плазменные технологии со всего человечества.


Строительство "ITER", 2017 год. В настоящее время здание реактора достроено, идёт сборка самого реактора. Завершение строительства намечено на декабрь 2025 года; выход на планируемому мощность - 2035 год. В проекте участвуют 35 стран, сам проект реализуется во Франции.

Однако нужно учитывать тот факт, что учёные не дают гарантии положительного исхода этого самого грандиозного, сложного и дорогого научно-технического проекта в мире.

Итог запуска реактора может быть непредсказуемым. Например, мы сможет достигнуть критерия Лоусона, но безопасно управлять термоядерной плазмой при этом не сможем; либо и вовсе не сможем достигнуть нужных параметров для самодостаточной термоядерной реакции.

А может быть, у нас всё получится и тогда человечество сможет выполнить все поставленные перед "ITER" задачи. Но даже в таком случае есть проблемы. Первичная стенка реактора – самый дорогой элемент конструкции - за 5 лет превращается в решето, полностью утрачивая свою рабочую функцию. Это результат активного нейтронного излучения, которое воздействует на всё окружающее ТОКАМАК пространство.


Важным экспериментом будет проверка живучести первой стенки "ITER".

Даже несмотря на новые специальные сплавы, которые в десятки раз устойчивее к нейтронному захвату, срок службы стенки составляет всего несколько лет.

Полностью обновлять стенки реактора через такие довольно короткие временные промежутки – совершенно невыгодно экономически и даже энергетически. Это делает термоядерную энергетику коммерчески нереализуемой, оставляя её в рамках лишь научных исследований.

И выхода тут два: либо увеличение размеров установки с сохранением мощности на прежнем уровне, что даст более эффективное распределение нейтронного потока по площади; либо реализация термоядерной энергетики с безнейтронным выходом.

Но есть и третий путь. Его основы заложены в ТОКАМАКе "Т-15МД".


В "Т-15ДМ" запроектирован "гибридный режим", позволяющий протекать ядерным реакциям в бланкете.

За первичной стенкой, которая изнашивается от нейтронного изучения, установлен бланкет, в котором располагается неактивное делящееся вещество (например, Уран-238 или Торий-232). Энергии нейтрона порождённых термоядерной реакцией дейтерия и трития достаточно, чтобы разделить ядро Урана-238 с выходом дополнительной энергии, или трансмутировать ядро атома Тория-232 в топливо для современных АЭС – Уран-233.


Деление изотопов Урана-238 полностью зависит от нейтронов, вылетающих из дейтерий-тритиевой плазмы. При этом не происходит цепной реакции, как в случае деления изотопа Урана-235. Следовательно, нет опасности возникновения ядерных аварий и связанных с ними последствий.

Таким образом получается, что износ стенки провоцирует полезную работу, которая заключается либо в дополнительном выходе энергии (по расчётам в 10 раз превышающую энергию единичного акта термоядерной реакции дейтерия и трития), либо в выработке топлива для многочисленных АЭС, которые тоже будут производить тепловую и электрическую мощность.

В этом случае экономические и энергетические обоснования термоядерной энергетики будут положительными, даже если стенки реактора будут изнашиваться за 5 лет. А сами реакторы можно будет делать компактными, мощными и коммерчески выгодными.

Например, реактор "ITER" в гибридном режиме способен произвести в 10 раз больше энергии, чем заложено в его термоядерных параметрах. Сегодня это 500 МВт.

Однако расчёты показывают, что специфика ядерных процессов такова, что чтобы в бланкете начались реакции, реактору "Т-15МД" необязательно достигать максимальной термоядерной мощности и нагревать плазму до 100 миллионов градусов Цельсия. Реакции начинаются уже при 50 миллионах градусов Цельсия, то есть в том диапазоне температур, который сегодня относительно хорошо изучен.


Макет реактора "Т-15МД" в Курчатовском институте

Теорию, разумеется, проверят на практике, и если это подтвердится, то для полезной работы термоядерного реактора сама термоядерная реакция будет не столь обязательна. А вот это уже открывает совсем другие энергетические перспективы для всего человечества.

И пусть это будут даже не термоядерные гибридные реакторы, а ядерно-плазменные. Подобные энергетические технологии дадут ещё больше времени для полного освоения термоядерной энергетики, не отправив человеческую цивилизацию в пучину энергетического кризиса.

Реализовывать проект гибридного термоядерного реактора Россия начала с 2017 года, когда администрация президента одобрила инициативу модернизации ТОКАМАКа "Т-15МД" в гибридный реактор.

Термоядерная энергетика – это конечно святой Грааль, однако пока она для нас недостижима. Причём успех не гарантируют даже сами учёные проекта "ITER", хотя настроены они позитивно. В 1970-х годах тоже считали, что первые термоядерные электростанции появятся в конце 1980-х, ну или при самом пессимистичном прогнозе - в 2000 году. На деле оказалось, что при самом благоприятном исходе проекта "ITER" первая экспериментальная термоядерная станция появится не раньше 2045 года, а в широкую коммерческую эксплуатацию термоядерная энергетика войдёт в 2060-2080 годах.


Схема "ITER" — проекта международного экспериментального термоядерного реактора. На сегодня это самый сложный научный проект в истории человечества.

Поэтому гибридные реакторы, как промежуточный этап в освоении термоядерной энергетики, имеют очень весомую энергетическую и экономическую важность. И Россия является лидером в этом направлении.

Китай планирует построить аналогичный прототип гибридного реактора в 2030 году.

Энергетика – это ахиллесова пята нашей цивилизации. Даже замедление роста потребляемой энергии на душу населения способно вызвать кризисы. Что уж говорить о том, когда идёт спад в потреблении энергии, который сразу уменьшает количество благ, доступных человеку. Рецессия 2020 года и энергетический кризис в Японии и США начала 2021 года – яркое тому доказательство.

Гибридные реакторы – это своеобразная гарантия устойчивого энергетического развития человечества, некая альтернатива до достижения успехов в сфере безопасной и выгодной термоядерной энергетики.

Гибридный реактор типоразмера ТОКАМАКа "Т-15МД" одинаково хорошо подходит как для выработки электроэнергии, так и для производства водорода и кислорода методом высокотемпературного электролиза, либо только водорода методом паровой конверсии метана.

Учитывая то, что водород - это энергоноситель будущего, его получение в гибридном реакторе выглядит уже само по себе соблазнительно. Первые исследования в этом направлении уже опубликованы.


Работы по гибридным реакторам интересны нашему государству и имеют большую поддержку с перспективой внедрения новой энергетической технологии. Неудивительно, что в церемонии запуска реактора "Т-15МД" принял участие премьер-министр России Мишустин М.В.

П.С. Сегодня растёт число скептиков, которые сомневаются в достижении термоядерного синтеза в перспективе на ближайшие 100 лет, а некоторые и вовсе не верят в возможность этого процесса в земных условиях. Винить их за это нельзя, ведь для нас тайна термоядерной энергетики ещё действительно не разгадана, а перспективы не ясны…