Ученые пытаются доказать научно-техническую осуществимость идеи производить термоядерную энергию в промышленных масштабах, создавая условия для синтеза тяжелых изотопов водорода — дейтерия и трития. При этом изотопы выгорают, практически не оставляя радиоактивных отходов.
Реакция синтеза идет в высокотемпературной плазме — до 150 миллионов градусов Цельсия, и удержание нестабильной плазмы — главная технологическая задача.
По оптимистичным оценкам, на единицу веса термоядерного топлива получается примерно в 10 миллионов раз больше энергии, чем при сгорании такого же количества органического топлива, и примерно в сто раз больше, чем при расщеплении ядер урана в реакторах ныне действующих АЭС. Это даст человечеству неисчерпаемый источник энергии.
При термоядерном синтезе ядра более легких элементов сливаются, образуя ядро более тяжелого. Например, превращение водорода в гелий питает звезды. Но происходящие в космосе термоядерные реакции воспроизвести на Земле невозможно.
Водород — одно из первых веществ, образовавшихся после Большого взрыва, после того как раскаленная до невероятных температур материя в виде ионизированной массы протонов, нейтронов, электронов и других элементарных частиц начала трансформироваться. Вселенная состоит на 75% из водорода, на 25% — из гелия. Ядерный синтез не только наполнил светом мир, но и позволил сформироваться тяжелым элементам.
Токамак — это тороидальная камера с магнитными катушками для удержания высокотемпературной плазмы в ловушке. Тор представляет собой трёхмерную геометрическую фигуру, напоминающую бублик, а тороид — тонкий провод, намотанный на каркас в форме тора.
Специалисты Высокотехнологического научно-исследовательского института неорганических материалов имени академика А. А. Бочвара (ВНИИНМ) и Троицкого института инновационных и термоядерных исследований («ГНЦ РФ ТРИНИТИ») разработали базовую версию технологического тритиевого цикла для экспериментальной установки – модифицированного токамака с сильным полем (ТСП).
«Одна из критически важных систем инфраструктуры термоядерного реактора является технологический тритиевый цикл. Использование топливных смесей дейтерий-дейтерий в экспериментах приводит к наработке трития. Требуется очищать отработанную плазму от трития, чтобы обеспечить работоспособность экспериментальной установки модифицированного ТСП. Эту задачу реализует технологический тритиевый цикл», – рассказал об особенностях проекта начальник лаборатории отделения физики токамаков-реакторов АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» Николай Родионов.
В рамках выполненной работы была разработана базовая технологическая схема тритиевого цикла с описанием основных стадий и используемого оборудования, а также проведен подтверждающий расчет параметров процессов. В состав цикла входят все стадии использования трития, начиная с хранения и заканчивая переработкой и концентрированием тритий-содержащих отходов. Также представлены системы по изотопному анализу газовых смесей, контролю за тритием и очистки воздуха рабочего помещения.
АО «ВНИИНМ» выполняет исследования и разработки в области термоядерной энергетики, однако работы по созданию тритиевого цикла не проводились с начала 1990-х годов. По всему миру насчитывается несколько десятков экспериментальных термоядерных установок. Однако только на установках JET (Великобритания) и TFTR (США) проводились испытания с применением дейтерий-тритиевой плазмы. Все остальные эксперименты проводились с использованием стабильных изотопов водорода. Данный факт иллюстрирует всю сложность разработки и запуска токамака с применением трития.
На сегодняшний день только использование в качестве топлива дейтерий-тритиевой смеси позволяет рассчитывать на достижение режима термоядерного горения, необходимого для создания энергетики будущего. Кроме того, эксперименты с тритий-содержащей смесью изотопов водорода позволяют верифицировать технологические и экономические параметры будущих термоядерных установок. Поэтому работы по созданию тритиевого технологического цикла крайне важны для проводимых исследований в области термоядерного синтеза как в России, так и в мире.
«В ближайшее время планируется продолжение работ, которые будут состоять в разработке эскизного проекта, а к 2024 году полной проектной документации тритиевого комплекса. Это потребует проверки всех разрабатываемых узлов. Ввиду того, что на установке будет храниться и использоваться значительное по сравнению с исследовательскими объемами количество трития, каждая стадия должна гарантировать безопасность эксплуатации. И уже к 2030 году все сделанные разработки должны воплотиться в промышленный тритиевый цикл реального токамака», – подчеркнул начальник отдела разработки технологии и оборудования для получения изотопов и изотопной продукции АО «ВНИИНМ» Александр Аникин.