Термоядерные реакторы — это устройства, которые могут изменить будущее энергетики. Они предназначены для того, чтобы осуществлять управляемый термоядерный синтез, процесс, при котором лёгкие атомные ядра сливаются, выделяя огромное количество энергии. В отличие от традиционных ядерных реакторов, которые используют реакцию деления тяжёлых атомных ядер, термоядерные реакторы стремятся воспроизвести процессы, происходящие в звёздах, таких как наше Солнце.
Как работают термоядерные реакторы?
В термоядерных реакторах топливо состоит из изотопов водорода — дейтерия и трития. Для того чтобы инициировать синтез, эти атомы должны быть нагреты до экстремальных температур, порядка 150 миллионов градусов Цельсия. При таких температурах они образуют плазму — ионизированный газ, где электроны отделены от атомных ядер. Это состояние создаёт идеальные условия для того, чтобы ядра преодолевали кулоновское отталкивание и сливались, образуя гелий, при этом выделяется огромное количество энергии.
Для удержания такой высокотемпературной плазмы используется магнитное поле, которое создаётся в устройствах, таких как токамак или стелларатор. Эти устройства управляют плазмой, не позволяя ей контактировать с материалами реактора, что могло бы привести к их разрушению.
Электрическое поле, создаваемое трансформатором, приводит в движение ток (большие красные стрелки) через плазменный столб. В результате образуется полоидальное магнитное поле, которое сжимает поток плазмы таким образом, что в разрезе он приобретает форму круга (зеленые вертикальные круги). Внутри корпуса, по форме напоминающего бублик, создается вакуум, и сжатый таким образом столб позволяет не допустить утечки. Другое магнитное поле, проходящее вдоль всего корпуса, называется тороидальным (зеленые горизонтальные линии). Сочетание этих двух полей создает похожую на спираль трехмерную кривую (показана черным цветом), способную удерживать плазму.
Скручивание магнитов позволяет получить спиралевидную форму без использования трансформатора: такая конфигурация называется стелларатором. (Изображения: Институт физики плазмы им. Макса Планка, Германия)
Почему термоядерные реакторы не популярны?
Несмотря на огромный потенциал термоядерных реакторов как источников чистой и практически неисчерпаемой энергии, на данный момент они не используются в коммерческих целях. Это связано с несколькими ключевыми проблемами.
Технические сложности
Удержание плазмы при температурах, которые значительно превышают те, что существуют в центре Солнца, представляет собой огромную инженерную задачу. На данный момент технологии, способные поддерживать такие экстремальные условия, остаются сложными и дорогими.
Энергетический баланс
В настоящее время все существующие экспериментальные термоядерные реакторы требуют больше энергии для запуска термоядерной реакции, чем они способны выработать. Это означает, что для получения чистой энергии потребуется дальнейшее совершенствование технологии, чтобы достигнуть положительного энергетического баланса.
Длительность реакции
Для того чтобы реакция термоядерного синтеза стала самоподдерживающейся, необходимо поддерживать высокие температуры и плотности плазмы на протяжении длительного времени. В данный момент этого не удаётся достичь, что продолжает оставаться значительной инженерной преградой.
Что изменилось?
Несмотря на все трудности, в последние годы были достигнуты важные успехи в области термоядерного синтеза. Например, в 2022 году учёные из США впервые получили больше энергии от термоядерной реакции, чем было затрачено на её запуск. Этот прорыв стал значительным шагом на пути к коммерциализации термоядерных реакторов.
В настоящее время в мире строится крупнейший экспериментальный термоядерный реактор — ITER (Международный термоядерный экспериментальный реактор) во Франции. Этот проект должен продемонстрировать возможность выработки энергии при помощи термоядерного синтеза. Ожидается, что первые эксперименты начнутся в 2025 году, а полная мощность будет достигнута к 2035 году. Если успех будет достигнут, это откроет новую эпоху в энергетике, где термоядерные реакторы могут стать основным источником энергии.
Перспективы и выводы
Термоядерные реакторы, хотя и находятся на стадии активных исследований, могут стать важным источником чистой энергии в будущем. Несмотря на существующие технические проблемы, прогресс в этой области делает перспективы использования термоядерного синтеза всё более реальными. Это могло бы кардинально изменить энергетическую отрасль, обеспечив человечество стабильным, безопасным и неисчерпаемым источником энергии, который не будет загрязнять окружающую среду.
Будущее термоядерных реакторов зависит от продолжения усилий учёных и инженеров, стремящихся преодолеть существующие проблемы. Однако если эти препятствия удастся преодолеть, то термоядерный синтез может стать решением для глобальной энергетической безопасности и устойчивого развития.