Некоторые значимые открытия для большинства людей часто проходят незаметно. Что поделаешь, такова наша жизнь. Например, двигатели внутреннего сгорания незаметно вытеснили паровые машины. Сейчас популярность набирают электродвигатели, постепенно вытесняя ДВС.
Вот так незаметно в новостных сводках появилось сообщение, что китайским учёным удалось установить новый мировой рекорд и удержать плазму, температурой в 100 млн ℃ в течение почти 18 минут. Между прочим это в 6 раз больше, чем в ядре Солнца! Так как же это удалось сделать и какие возможности открывает такой рекорд?
Какие реакции происходят внутри Солнца?
Рано или поздно, но учёные должны были задать себе подобный вопрос. Почему, собственно, наше светило не гаснет? Первым учёным, кто предложил объяснение как водород превращается в гелий внутри нашего светила, стал британец Эддингтон.
В 20-х годах ХХ века он предложил идею протон-протонного цикла – совокупности термоядерных реакций, характерных для звёзд, масса которых близка к массе Солнца.
Если говорить простыми словами, это процесс «превращения» водорода в гелий с выделением огромного количества энергии. Вот как это работает:
1) Два протона (ядра водорода) сталкиваются и объединяются. Получается дейтерий (тяжёлый водород), а также выделяются позитрон (частица, похожая на электрон, но с положительным зарядом) и нейтрино(почти невесомая частица).
2) Дейтерий сталкивается с ещё одним протоном. Образуется лёгкий изотоп гелия (гелий-3) и выделяется энергия в виде гамма-излучения.
3) Два ядра гелия-3 сталкиваются. Они сливаются в обычное ядро гелия (гелий-4), а «лишние» протоны высвобождаются обратно в реакцию.
Итог:
4 протона → 1 ядро гелия + энергия + нейтрино.
Для реакции требуется огромная температура (около 15 млн °C) и давление, которые есть только в ядрах звёзд. Всё сопровождается выделением огромной энергии, при этом приблизительное время, за которое Солнце должно израсходовать топливо, составляет 6 миллиардов лет. Выделяемая энергия достигает Земли в виде света и тепла.
Представьте, что протоны — это кусочки конструктора. Когда они соединяются в «гелий», часть деталей превращается в энергию, которая «зажигает» звезду.
Почему так трудно осуществить термоядерную реакцию в земных условиях?
Для термоядерных реакций используют изотопы водорода — дейтерий и тритий (реакция D-T). Эти разновидности атомов и ядер водорода отличаются разным количеством нейтронов в ядре. Также для термоядерных реакций применяют дейтерий и гелий-3 или ядра дейтерия (реакция D-D).
Энергоэффективность термоядерной реакции просто огромна. Для сравнения, если сжечь 1 грамм каменного угля, то можно получить энергию, равную 34 тысячи джоулей. При сжигании 1 грамма нефти или газа, выделяется энергия, равная 44 тысячам джоулей. Термоядерная реакция в пересчёте на 1 грамм массы действующего вещества, может дать энергии на 170 миллиардов джоулей!
Однако, проблема осуществимости термоядерных реакций заключается совсем не в том, что топлива для реактора — дейтерия и трития мало. Это совсем не так, топливо есть.
Дейтерий получают из морской воды, и запасов её вполне достаточно. Тритий же можно получать в ядерных реакторах, облучая нейтронами литий-6.
Дело в том, что атомные ядра очень слабо взаимодействую друг с другом из-за сил электростатического отталкивания. Для преодоления этого «кулоновского барьера» в наших условиях необходимы высокие температуры — несколько сотен миллионов градусов Цельсия.
Ранние исследования
Идея термоядерного синтеза возникла в середине XX века как потенциальный источник чистой энергии. Учёные стремились воссоздать реакции, подобные солнечным, где лёгкие ядра (например, дейтерий и тритий) сливаются при высоких температурах. Однако, как мы уже знаем, для синтеза требовалось нагревать плазму до высоких температур — миллионов градусов.
Дальнейшие исследования привели к созданию «магнитной ловушки», — устройства, позволявшего на небольшое время удерживать плазму с помощью магнитного поля. В 1946 году учёные Томсон и Блэкман создали и запатентовали такую систему. Впоследствии эта идея позволила проводить дальнейшие эксперименты по разработке систем, позволяющих осуществлять управляемый ядерный синтез.
Однако, существующие в то время технологии не позволяли человечеству создать такое устройство, где реакция термоядерного синтеза была бы самоподдерживающейся. Реактор не был энергоэффективным. Ведь затраты на нагрев вещества до состояния плазмы, а также затраты на поддержание плазмы в стабильном состоянии были настолько огромны, что требовалось намного больше энергии, чем вырабатывалось.
Советский токамак
Созданию термоядерных реакторов, где можно было управлять реакцией, предшествовало создание оружия. Так, 1 ноября 1952 года в Соединённых Штатах Америки было произведено первое испытание термоядерной бомбы. В Советском Союзе также не отставали в этой гонке и 30 ноября 1961 года доказали на практике возможность создания термоядерной бомбы любой мощности. Взорванную тогда бомбу назвали «Царь-бомба».
Из-за опасений, что природе будет нанесён серьёзный ущерб, мощность Царь-бомбы (изделия 602) снизили с планируемых 100 мегатонн до 50 мегатонн
Однако в Советском Союзе также были достигнуты значительные успехи в создании реакторов для управляемых термоядерных реакторов. В 1950-х физики Игорь Тамм и Андрей Сахаров предложили концепцию нового реактора — ТОКАМАК. Кстати, название ТОКАМАК является сокращением от слов «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками».
В 1956 году в Институте атомной энергии им. Курчатова (Москва) под руководством Льва Арцимовича начались работы. Первый экспериментальный токамак Т-1 был запущен в 1958 году.
В 1968 году на международной конференции в Новосибирске советские учёные представили данные по токамаку Т-3, где плазма достигла рекордной температуры: около 10 млн °C. Независимые измерения британской группы подтвердили результаты, вызвав мировой интерес.
Принцип работы
Токамак предназначен для создания условий, при которых лёгкие ядра (например, дейтерия и трития) сливаются, образуя гелий и выделяя огромную энергию. Для этого необходимы:
- Высокая температура (около 150 млн °C) для преодоления электростатического отталкивания ядер.
- Достаточная плотность плазмы (ионизированного газа).
- Длительное удержание плазмы.
Рассмотрим основные элементы реактора:
- Тороидальная камера имеет форму бублика, где удерживается плазма.
- Магнитные катушки создают тороидальное магнитное поле (вдоль тора), предотвращая контакт плазмы со стенками.
- Центральный соленоид индуцирует ток в плазме, создавая магнитное поле вокруг тора (полоидальное поле).
- Комбинированное поле: совмещение тороидального и полоидального полей образует винтовое магнитное поле, удерживающее плазму в устойчивом состоянии. Для подавления неустойчивостей например, перетяжек, используются дополнительные системы, включая корректирующие катушки.
Благодаря сильному магнитному полю плазма движется по спирали, не касаясь стенок камеры. Однако, за счёт чего происходит нагрев плазмы? Ток, создаваемый центральным соленоидом, нагревает плазму за счёт джоулева нагрева.
Если говорить простыми словами, то нагрев происходит за счёт прохождения тока по проводнику — плазме. Так как проводник имеет электрическое сопротивление, которое мешает току протекать, то выделяется тепло. Например, за счёт джоулева нагрева происходит выделение тепла в спирали электрочайника. Причём, чем больше ток или сопротивление, тем больше выделяется тепла.
Кроме того, в современных реакторах дополнительно применяются микроволны, ионно-циклотронные волны, лазерный и электронный нагрев, а также впрыск высокоэнергетических нейтральных атомов.
Успех китайских товарищей
Китай активно развивает исследования в области управляемого термоядерного синтеза, и его ключевой токамак — EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) обладает рядом уникальных конструктивных особенностей.
Кстати, на русский язык эту аббревиатуру можно перевести как «ВОСТОК».
EAST — это экспериментальный термоядерный реактор типа «токамак», разработанный и эксплуатируемый Китаем в рамках международных исследований по управляемому термоядерному синтезу. Он расположен в Институте физики плазмы Китайской академии наук (Хэфэй, провинция Аньхой). Построенный в 2006 году EAST — это также и ключевая установка для тестирования технологий, которые могут быть использованы в будущих коммерческих термоядерных реакторах, таких как ITER (Международный проект во Франции).
В конце января 2025 года в средствах массовой информации появились сообщения об прорыве в термоядерной энергетике. На EAST удалось удержать плазму в течение 17, 7 минуты (1066 секунд). Хотя, на первый взгляд может показаться, что такой результат незначителен, это мировой рекорд. Преодоление рубежа в 1000 секунд позволяет обеспечить самоподдерживающуюся циркуляцию плазмы.
Такие результаты удалось достигнуть за счёт использования сверхпроводящих магнитов (ниобий-титан и ниобий-олово), работающих при температурах близких к абсолютному нулю (–269°C). Они позволяют создавать мощное магнитное поле с минимальными энергозатратами.
Также в реакторе применены для нагрева плазмы применены системы ионно-циклотронного нагрева, электронно-циклотронного нагрева и нейтральная инжекция. Для удаления примесей и избыточного тепла из плазмы, что важно для стабильности реакции, применён дивертор.
Заключение
На сегодня EAST — один из самых продвинутых токамаков в мире. Его эксперименты приближают человечество к созданию неисчерпаемого источника энергии (термоядерный синтез не производит долгоживущих радиоактивных отходов, в отличие от ядерных реакторов деления). Если технологии EAST и ITER окажутся успешными, это может стать началом энергетической революции уже к середине XXI века.