Английский «колобок»

Мы уже рассказывали читателям о развитии термоядерной энергетики (см., например, «Энерговектор», № 11/2014, с. 8). Здесь магистральное направление – международный проект огромного экспериментального токамака ITER, строящегося на юге Франции. Сроки его запуска неоднократно переносились, и теперь начало экспериментов планируется на 2025 г.

Д-р Дэвид Кингэм, руководитель частной компании Tokamak Energy (местечко Милтон Парк в графстве Оксфордшир), утверждает, что разработку реально работающей термоядерной электростанции (ТЯЭС) можно значительно ускорить, если уменьшить размеры реактора. По его мнению, первая пилотная станция с компактным реактором может быть готова к коммерческой выработке электроэнергии уже в следующем десятилетии.

Всё больше и больше

В 1997 г. лучшим токамаком в мире был британский JET, вырабатывавший 16 МВт термоядерной мощности при 24 МВт потребляемой электрической. Как видим, его коэффициент энергетической эффективности (отношение выработанной мощности к затраченной) составлял менее 0,7.

До появления токамака JET термоядерные исследования в мире развивались почти по известному в ИТ-отрасли закону Мура (см. «Энерговектор», № 6/2015, с. 4). Температура, плотность и время удержания плазмы росли всё быстрее. Но после постройки JET прогресс резко замедлился. Рекорд был побит лишь в 2006 г. токамаком EAST китайского Института физики плазмы, где был получен коэффициент 1,25. Этого, конечно же, мало для постройки самоокупаемой термоядерной электростанции. Даже значение 10, которое учёные надеются получить от токамака ITER, не позволит ему обрести статус коммерческой установки.

За ITER должна последовать демонстрационная ТЯЭС DEMO (DEMOnstration Power Station) с коэффициентом эффективности 25, которая, как предполагается, станет промежуточным звеном между экспериментальным реактором ITER и коммерческими ТЯЭС. Линейные размеры DEMO будут примерно на 15% больше, чем у ITER, а плотность плазмы – на 30% выше. По предварительным прикидкам, DEMO может начать вырабатывать тепловую энергию (2–4 ГВт) к 2033 г., однако, учитывая опыт строительства ITER, трудно поверить, что эти сроки будут выдержаны.

За DEMO, согласно долговременной стратегии Еврокомиссии по термоядерной энергетике, должна последовать PROTO. Она станет прототипом коммерческой ТЯЭС, ввод в действие которого ожидается не раньше 2050 г.

Маятник качнулся назад

Традиционный подход к строительству токамаков ведёт к постоянному увеличению их размеров. Кульминацией этого подхода стал ITER высотой 30 метров и весом около 23 тыс. т. DEMO и PROTO будут (если, конечно, их когда-либо построят) ещё больше. В 1990-х, проектируя ITER, учёные полагали, что единственно правильный способ повышения мощности термоядерной установки – увеличение её размеров. Но гигантские размеры и сложность ITER обусловили очень медленное продвижение программы его строительства. Английские учёные задумались о возможности создания более компактных термоядерных реакторов на основе сферических токамаков и учредили компанию Tokamak Energy.

Сферический токамак представляет собой предельный случай обычного тороидального токамака с сильно нарастающим при приближении к оси системы магнитным полем. Благодаря повышенной устойчивости плазмы в такой конфигурации возрастает предельное давление и повышается эффективность использования магнитного поля. В сферических токамаках получено рекордное давление плазмы, достигающее 40% от давления магнитного поля – в разы больше, чем в обычных токамаках. Это позволяет снизить стоимость и повысить эффективность реактора.

Компания Tokamak Energy взяла курс на создание компактной ТЯЭС. На сегодня специалисты компании опубликовали три статьи, показав, что размер не является важным фактором для эффективной работы термоядерного реактора и что компактный реактор способен выдавать достаточно большую термоядерную мощность. ТЯЭС на базе компактного сферического токамака может иметь в 100 раз меньший объём, чем ITER, т. е. умещаться в стандартном контейнере, а не в авиационном ангаре, как последний.

Правда, при этом возникает ряд инженерных проблем (в частности, необходимость создания мощных магнитов на основе высокотемпературных сверхпроводников), которые Tokamak Energy, похоже, успешно решает. Компания планирует в течение пяти лет существенно повысить термоядерную мощность своего компактного сферического токамака ST25, через 10 лет получить первое электричество, а через 15 – построить компактную ТЯЭС мощностью 100 МВт.

К настоящему времени компания построила уже второй компактный сферический токамак ST25 1.2 HTS, в котором впервые в мире используются исключительно магниты на основе высокотемпературных сверхпроводников. В 2015 г. было продемонстрировано непрерывное удержание плазмы в этом токамаке в течение 29 ч.

Российские наработки

Отметим, что один из первых сферических токамаков в мире, «Глобус-М», был запущен в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук (Санкт-Петербург) в 1999 г. Токамак сооружён при участии учёных и инженеров Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры, Троицкого института инновационных и термоядерных исследований, РНЦ «Курчатовский институт», Государственного политехнического университета и других организаций. Изготовление основных узлов и сборку установки обеспечил петербургский «Северный завод».

Правда, в отличие от сферического токамака ST25 компании Tokamak Energy, «Глобус-М» предназначен не для выработки электроэнергии, а для изучения поведения плазмы в лабораторных условиях. Температура водородной плазмы в «Глобусе-М» доходит до 10 000 000 градусов Цельсия. Плазму нагревают током, протекающим по плазменному шнуру, и другими методами. В установке получена рекордная для сферических токамаков плотность плазмы, предложены и отрабатываются новые методы её радиочастотного нагрева и новые способы подачи топлива в горячий плазменный шнур.

* * *

Примечательно, что разработки компании Tokamak Energy идут в русле общей тенденции перехода от централизованной к распределённой энергетике. Причём здравый смысл говорит, что небольшая система будет скорее доведена до ума, чем гигантская.

Эта статья изначально была опубликована в газете «Энерговектор» за сентябрь 2016 г. здесь.