Как работают термоядерные реакторы: магнитное удержание плазмы.

Управляемый термоядерный синтез — перспективный источник энергии, имитирующий процессы в недрах звёзд. Ключевая сложность: плазма (ионизированный газ при температуре свыше 100 млн °C) не может контактировать с материальными стенками реактора — они мгновенно испарятся. Решение — магнитное удержание, предотвращающее контакт плазмы с конструкциями реактора.

Почему нужно магнитное поле

В плазме заряженные частицы (ионы и электроны) движутся с огромными скоростями. Без удержания:

• плазма быстро остывает при контакте с холодными стенками;
• реакция синтеза прекращается;
• повреждается оборудование.

Магнитное поле действует на заряженные частицы через силу Лоренца, заставляя их двигаться по спиралям вдоль силовых линий. Это позволяет «запереть» плазму в заданном объёме.

Основные системы магнитного удержания

1. Соленоид
   простейшая конфигурация: магнитное поле направлено вдоль оси цилиндра;
   частицы вращаются вокруг силовых линий, но могут утекать к торцам;
   непригодно для устойчивого удержания.
2. Тор (кольцо)
   замкнутая геометрия предотвращает утечку по торцам;
   проблема: из‑за разной напряжённости поля на внутреннем и внешнем радиусах частицы дрейфуют к стенкам.
3. Токамак (наиболее развитая система)
   тороидальная камера с магнитными катушками;
   комбинация тороидального (создаётся внешними катушками) и полоидального (генерируется током в плазме) полей формирует винтовые силовые линии;
   частицы движутся по сложным траекториям, не достигая стенок.
4. Стелларатор
   аналогичен токамаку, но полоидальное поле создаётся внешними винтовыми катушками (без тока в плазме);
   потенциально более стабилен, но сложнее в конструировании.

Как работает токамак: пошаговый процесс

1. Подготовка камеры
   вакуумная откачка воздуха;
   заполнение смесью дейтерия и трития (D‑T).
2. Зажигание плазмы
   индуктор (как первичная обмотка трансформатора) создаёт вихревое электрическое поле;
   поле ионизирует газ и нагревает его за счёт омического сопротивления.
3. Создание магнитного поля
   сверхпроводящие катушки генерируют тороидальное поле;
   ток в плазме формирует полоидальное поле;
   винтовые силовые линии «закручивают» частицы, удерживая их в торе.
4. Дополнительный нагрев
   инжекция нейтральных частиц: высокоэнергетические атомы D/T проникают в плазму, ионизуются и передают энергию;
   радиочастотный нагрев: электромагнитные волны на резонансных частотах (циклотронный резонанс);
   магнитное сжатие: перемещение плазмы в область с более сильным полем повышает температуру и плотность.
5. Поддержание синтеза
   при температуре >100 млн °C ядра D и T преодолевают кулоновское отталкивание и сливаются;
   реакция: D + T → He‑4 + нейтрон + 17,6 МэВ энергии;
   альфа‑частицы (He‑4) остаются в плазме, дополнительно нагревая её (самоподдержание).
6. Стабилизация
   корректирующие катушки подавляют нестабильности (например, «вертикальное смещение» плазмы);
   системы обратной связи регулируют магнитные поля в реальном времени.

Ключевые вызовы

• Неустойчивости плазмы:
  магнитогидродинамические моды (MHD‑нестабильности) могут привести к срыву удержания;
  требуется точная настройка магнитных полей.
• Тепловые нагрузки:
  стенки реактора подвергаются потокам нейтронов и тепла;
  необходимы материалы, устойчивые к радиации (например, вольфрамовые бланкета).
• Энергетический баланс:
  современные реакторы (включая ITER) пока потребляют больше энергии, чем производят;
  цель — достичь Q > 1 (выделение энергии превышает затраты на нагрев и удержание).
• Производство трития:
  тритий редко встречается в природе;
  планируется нарабатывать его в реакторе из лития (Li + n → T + He).

Современные проекты

• ITER (Франция)
  международный экспериментальный реактор;
  цель: продемонстрировать устойчивое горение плазмы с Q > 10;
  запуск первых экспериментов запланирован на 2030‑е годы.
• Т‑15 (Россия)
  экспериментальный токамак со сверхпроводящими магнитами;
  исследование режимов удержания и нагрева плазмы.
• Wendelstein 7‑X (Германия)
  стелларатор для проверки долгосрочной стабильности удержания.

Перспективы

• Коммерческие реакторы: ожидается, что первые термоядерные электростанции появятся после 2050 года.
• Преимущества перед ядерными реакторами:
  отсутствие долгоживущих радиоактивных отходов;
  топливо (дейтерий из воды, литий) доступно в огромных количествах;
  безопасность (реакция прекращается при нарушении удержания).
• Космические приложения: компактные термоядерные источники энергии для межпланетных миссий.

Итог: магнитное удержание — основа управляемого термоядерного синтеза. Токамаки и стеллараторы демонстрируют прогресс, но для промышленного внедрения требуется решить проблемы стабильности, материалов и энергетического баланса.