Американский токамак:
все сложно
В МИРЕ / #7_2020
Текст: Татьяна ДАНИЛОВА / Фото: Flickr.com/ Princeton Plasma Physics Laboratory
У американского сферического токамака NSTX непростая история. Первая плазма на нем была получена больше 20 лет назад. После модернизации в 2016 году он стал самым мощным токамаком в мире, но вышел из строя, проработав всего несколько недель. С тех пор ведется его восстановление — министерство энергетики США заявило в сентябре о выделении для этих целей $ 17 млн. Однако судьба устройства по-прежнему туманна.
Американский проект экспериментального национального сферического токамака (National Spherical Tokamak Experiment, NSTX) переживает второе рождение. После почти четырех лет простоя объекта Минэнерго США (DOE) объявило о выделении $ 17 млн на исследования в рамках проекта модернизированного национального сферического токамака (NSTX-U) Лаборатории физики плазмы Принстонского университета (Нью-Джерси).
Геометрия NSTX отличает его от «обычного» токамака. Традиционный токамак — это кольцо круглого или овального сечения, напоминающее гигантский бублик. Сферический токамак, конструкцию которого предложили в 1980-х годах, по форме больше похож на яблоко, а размер центрального отверстия, где формируется и удерживается плазма в сферических термоядерных реакторах, может быть вдвое меньше, чем у аналогичного отверстия традиционного токамака.
Разработчики доказали, что сферический токамак энергетически выгоднее. Плазма в нем удерживается комбинированным магнитным полем: тороидальным внешним и полоидальным полем тока, протекающего по плазменному шнуру. Это главная особенность реакторов такого рода: ток обеспечивает и разогрев плазмы, и удержание плазменного шнура в вакууме. При этом конфигурация NSTX позволяет при заданной напряженности магнитного поля удерживать более высокое давление плазмы.
Иначе говоря, в сферическом токамаке плазма высокого давления формируется в относительно слабом магнитном поле, и, стало быть, реакция ядерного синтеза требует меньших затрат энергии, чем в стандартном «бублике». Поскольку количество произведенной термоядерной энергии пропорционально квадрату давления плазмы, использование плазмы сферической формы могло бы сделать возможной разработку меньших и более экономичных термоядерных реакторов.
NSTX был построен Принстонской лабораторией физики плазмы (PPPL) в сотрудничестве с Национальной лабораторией Ок-Ридж, Колумбийским и Вашингтонским университетами. Первая плазма на нем была получена 12 февраля 1999 года.
В экспериментах по магнитному синтезу используется плазма из одного или нескольких изотопов водорода. Эксперименты на NSTX должны были подтвердить сам принцип синтеза, поэтому использовалась только дейтериевая плазма. Успех эксперимента проложил путь аналогичным устройствам синтеза и в конечном итоге —международному проекту ИТЭР, сжигающего дейтерий-тритиевое топливо.
В 2012 году NSTX был остановлен для модернизации, по завершении которой получил имя NSTX-U (National Spherical Torus Experiment Upgraded). Заодно из названия убрали русское слово «токамак», не созвучное политическому моменту. Работы обошлись в $ 94 млн и завершились в 2016 году. Магнитную индукцию тороидального поля удвоили (до значения 1 тесла), ток плазмы повысили до 2 миллиампер, а тепловую мощность — до 11 МВт. Длительность импульса выросла в пять раз. NSTX-U стал самым мощным токамаком мира. Предполагалось, что в обновленном устройстве начнут испытывать материалы для использования в конструкциях будущих термоядерных реакторов. Планировалось также производить тритий из его смеси с дейтерием, доведя коэффициент воспроизведения трития до 1,04−1,1. Считалось также, что есть шанс осуществить самоподдерживающуюся термоядерную реакцию…
Геометрия NSTX отличает его от «обычного» токамака. Традиционный токамак — это кольцо круглого или овального сечения, напоминающее гигантский бублик. Сферический токамак, конструкцию которого предложили в 1980-х годах, по форме больше похож на яблоко, а размер центрального отверстия, где формируется и удерживается плазма в сферических термоядерных реакторах, может быть вдвое меньше, чем у аналогичного отверстия традиционного токамака.
Разработчики доказали, что сферический токамак энергетически выгоднее. Плазма в нем удерживается комбинированным магнитным полем: тороидальным внешним и полоидальным полем тока, протекающего по плазменному шнуру. Это главная особенность реакторов такого рода: ток обеспечивает и разогрев плазмы, и удержание плазменного шнура в вакууме. При этом конфигурация NSTX позволяет при заданной напряженности магнитного поля удерживать более высокое давление плазмы.
Иначе говоря, в сферическом токамаке плазма высокого давления формируется в относительно слабом магнитном поле, и, стало быть, реакция ядерного синтеза требует меньших затрат энергии, чем в стандартном «бублике». Поскольку количество произведенной термоядерной энергии пропорционально квадрату давления плазмы, использование плазмы сферической формы могло бы сделать возможной разработку меньших и более экономичных термоядерных реакторов.
NSTX был построен Принстонской лабораторией физики плазмы (PPPL) в сотрудничестве с Национальной лабораторией Ок-Ридж, Колумбийским и Вашингтонским университетами. Первая плазма на нем была получена 12 февраля 1999 года.
В экспериментах по магнитному синтезу используется плазма из одного или нескольких изотопов водорода. Эксперименты на NSTX должны были подтвердить сам принцип синтеза, поэтому использовалась только дейтериевая плазма. Успех эксперимента проложил путь аналогичным устройствам синтеза и в конечном итоге —международному проекту ИТЭР, сжигающего дейтерий-тритиевое топливо.
В 2012 году NSTX был остановлен для модернизации, по завершении которой получил имя NSTX-U (National Spherical Torus Experiment Upgraded). Заодно из названия убрали русское слово «токамак», не созвучное политическому моменту. Работы обошлись в $ 94 млн и завершились в 2016 году. Магнитную индукцию тороидального поля удвоили (до значения 1 тесла), ток плазмы повысили до 2 миллиампер, а тепловую мощность — до 11 МВт. Длительность импульса выросла в пять раз. NSTX-U стал самым мощным токамаком мира. Предполагалось, что в обновленном устройстве начнут испытывать материалы для использования в конструкциях будущих термоядерных реакторов. Планировалось также производить тритий из его смеси с дейтерием, доведя коэффициент воспроизведения трития до 1,04−1,1. Считалось также, что есть шанс осуществить самоподдерживающуюся термоядерную реакцию…
Запланированные характеристики NSTX-U после реконструкции
Вторая попытка
NSTX-U запустили, провели несколько экспериментов и… остановили после 10 недель работы. Вначале говорили о сбое, затем выяснилось, что проблема — в системной непригодности полоидальных катушек, медная обмотка которых не соответствовала требованиям. На одной из катушек произошло замыкание.
Директора Принстонской лаборатории физики плазмы отправили в отставку, но это делу не помогло. Вначале рассчитывали заменить сгоревшую катушку и вторую, идентичную, на противоположной стороне камеры токамака, за год. Однако план перезапуска был согласован и принят лишь в марте 2018 года, поскольку для диагностики потребовался полный демонтаж реактора и змеевиков.
Для перезапуска пришлось начать строительство промежуточной лаборатории под названием «Центр лабораторных экспериментов по переподключению» (FLARE). Этот проект основан на экспериментальном устройстве магнитного перезамыкания и связанных с ним явлений, имеющих непосредственное отношение к гелиофизике, астрофизике и термоядерной плазме. Ввод FLARE в эксплуатацию запланирован на конец 2020 года. Восстановление же токамака продлится самое меньшее до мая 2021 года, в крайнем случае — до июля 2022 года.
В диагностике и ремонте участвуют специалисты из 10 профильных учреждений страны. Среди важнейших обновлений NSTX-U — система, связанная с рассеянием Томсона (то есть с рассеянием электромагнитных волн заряженными частицами). Эта система фиксирует в реальном времени температуру и связанные с ней ключевые свойства плазмы, а также управляет ими.
Реконструкция объекта продолжается, исследования — тоже. Они сосредоточены на анализе данных, полученных при запуске NSTX-U в 2016 году, а также на компьютерном моделировании и симуляциях, включая моделирование плазмы с низкой коллизией, а также на подробном анализе ранее наблюдавшихся нестабильностей энергичных частиц.
Иначе говоря, основное внимание будет уделяться созданию научной основы для установки ядерного синтеза следующего поколения, то есть достижению лучшего понимания поведения плазмы в традиционных и сферических токамаках. В частности, в начале сентября 2020 года были обнаружены формирующиеся в токамаке неизвестные ранее низкочастотные электрические потоки, способные стабилизировать реакции синтеза. Это открытие касается фундаментальных взаимодействий волн в плазме и закладывает базис для будущих исследований.
В 2020 финансовом году запланировано потратить на реконструкцию $ 6 млн. К сожалению, не сообщается, на какой стадии реконструкция установки. Зато нет недостатка в стандартно-оптимистичных заявлениях представителей министерства энергетики. Например, доктор Крис Фолл, директор отдела науки Минэнерго США, заявил: «Энергия ядерного синтеза обещает изобилие чистой энергии для страны и мира. Американские ученые с самого начала находились в авангарде исследований в области термоядерной энергии, и это исследование поможет сохранить лидерство США в этой важнейшей области».
NSTX-U запустили, провели несколько экспериментов и… остановили после 10 недель работы. Вначале говорили о сбое, затем выяснилось, что проблема — в системной непригодности полоидальных катушек, медная обмотка которых не соответствовала требованиям. На одной из катушек произошло замыкание.
Директора Принстонской лаборатории физики плазмы отправили в отставку, но это делу не помогло. Вначале рассчитывали заменить сгоревшую катушку и вторую, идентичную, на противоположной стороне камеры токамака, за год. Однако план перезапуска был согласован и принят лишь в марте 2018 года, поскольку для диагностики потребовался полный демонтаж реактора и змеевиков.
Для перезапуска пришлось начать строительство промежуточной лаборатории под названием «Центр лабораторных экспериментов по переподключению» (FLARE). Этот проект основан на экспериментальном устройстве магнитного перезамыкания и связанных с ним явлений, имеющих непосредственное отношение к гелиофизике, астрофизике и термоядерной плазме. Ввод FLARE в эксплуатацию запланирован на конец 2020 года. Восстановление же токамака продлится самое меньшее до мая 2021 года, в крайнем случае — до июля 2022 года.
В диагностике и ремонте участвуют специалисты из 10 профильных учреждений страны. Среди важнейших обновлений NSTX-U — система, связанная с рассеянием Томсона (то есть с рассеянием электромагнитных волн заряженными частицами). Эта система фиксирует в реальном времени температуру и связанные с ней ключевые свойства плазмы, а также управляет ими.
Реконструкция объекта продолжается, исследования — тоже. Они сосредоточены на анализе данных, полученных при запуске NSTX-U в 2016 году, а также на компьютерном моделировании и симуляциях, включая моделирование плазмы с низкой коллизией, а также на подробном анализе ранее наблюдавшихся нестабильностей энергичных частиц.
Иначе говоря, основное внимание будет уделяться созданию научной основы для установки ядерного синтеза следующего поколения, то есть достижению лучшего понимания поведения плазмы в традиционных и сферических токамаках. В частности, в начале сентября 2020 года были обнаружены формирующиеся в токамаке неизвестные ранее низкочастотные электрические потоки, способные стабилизировать реакции синтеза. Это открытие касается фундаментальных взаимодействий волн в плазме и закладывает базис для будущих исследований.
В 2020 финансовом году запланировано потратить на реконструкцию $ 6 млн. К сожалению, не сообщается, на какой стадии реконструкция установки. Зато нет недостатка в стандартно-оптимистичных заявлениях представителей министерства энергетики. Например, доктор Крис Фолл, директор отдела науки Минэнерго США, заявил: «Энергия ядерного синтеза обещает изобилие чистой энергии для страны и мира. Американские ученые с самого начала находились в авангарде исследований в области термоядерной энергии, и это исследование поможет сохранить лидерство США в этой важнейшей области».
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #7_2020