Токамаки, стеллараторы, разработки на основе лазеров и альтернативные технологии: общемировой обзор устройств термоядерного синтеза

С момента проведения первых экспериментов в области термоядерных реакций в 1950-х годах воспроизведение на Земле термоядерного синтеза — источника энергии звезд — представляет собой сложнейшую задачу. Ученые и инженеры продолжают совершать открытия для того, чтобы воплотить в жизнь идею использования этого практически безграничного источника энергии. За прошедшие годы было спроектировано и построено множество экспериментальных термоядерных устройств, таких как токамаки, стеллараторы, а также устройства на основе лазерных технологий.

Артем Власов, Бюро общественной информации и коммуникации МАГАТЭ
Казахстанский материаловедческий токамак (КТМ) в городе Курчатов, восточный Казахстан (Фото: ИТЭР).

С момента проведения первых экспериментов в области термоядерных реакций в 1950-х годах воспроизведение на Земле термоядерного синтеза — источника энергии звезд — представляет собой сложнейшую задачу. Ученые и инженеры продолжают совершать открытия для того, чтобы воплотить в жизнь идею использования этого практически безграничного источника энергии. За прошедшие годы было спроектировано и построено множество экспериментальных термоядерных устройств, таких как токамаки, стеллараторы, а также устройства на основе лазерных технологий. Это позволило приблизиться к реализации потенциала термоядерной энергии — когда-нибудь эта технология радикально изменит наш подход к энергопроизводству.

В настоящее время в мире действуют, строятся или планируются к строительству более 130 государственных и частных экспериментальных термоядерных устройств разнообразных конструкций, действующих на основе различных подходов к запуску и поддержанию термоядерной реакции. Для обзора этих многочисленных устройств МАГАТЭ опубликовало новый доклад World Survey of Fusion Devices 2022 («Общемировой обзор термоядерных устройств — 2022»), в котором рассматриваются термоядерные устройства в Китае, Казахстане, России, США и других странах по всему миру. В докладе более подробно изложена информация, имеющаяся в Информационной системе по термоядерным устройствам (FusDIS) — доступной онлайн базе данных МАГАТЭ.

«Когда технология термоядерного синтеза будет успешно внедрена, она принесет пользу каждой стране и будет использоваться наряду с ядерной энергией и другими видами устойчивой энергии, способствуя смягчению последствий изменения климата и внося свой вклад в энергопроизводство, — говорит Маттео Барбарино, специалист МАГАТЭ по термоядерной плазме. — Термоядерный синтез может принести пользу практически каждой стране, и это одна из причин, почему он так важен».

«Во всем мире исследователи и инженеры изучают различные конструкции термоядерных устройств, способствуя достижению прогресса, — отмечает Барбарино. — Наша новая публикация представляет собой всеобъемлющий обзор исследований и разработок в области термоядерного синтеза с точки зрения возможностей этих устройств».

Термоядерный синтез — это процесс, в ходе которого атомные ядра соединяются и образуют более тяжелое ядро с высвобождением большого количества энергии. Однако достижение стабильной и управляемой реакции термоядерного синтеза в практическом смысле связано с рядом научных и технических проблем. Для поддержания такой реакции топливо — обычно изотопы водорода — должно удерживаться в ограниченном пространстве под воздействием высокого давления и чрезвычайно высоких температур, в несколько раз превышающих температуру ядра Солнца.

Достижение прогресса в этой области не прекращается. Более 30 стран провели эксперименты с различными типами термоядерных устройств, в ходе которых были успешно получены термоядерные реакции, однако они были кратковременны и из них не было произведено достаточного количества энергии.

plasma_discharge.jpg

Фотография плазменного разряда КТМ, который длился около 20 мс (Фото: ИТЭР).

Разные подходы — одна цель

Каждая глава нового доклада посвящена отдельному классу конструкций и содержит подробные сведения о них, включая название, статус, владельца, страну и организацию, а также краткое описание целей и основных характеристик устройства. В отчете также приводятся статистические данные о публикациях, финансировании и других параметрах, которые помогают создать полную картину состояния международных усилий в области развития термоядерного синтеза.

Токамаки и стеллараторы, к примеру, являются наиболее распространенными термоядерными устройствами. Именно на их развитии сосредоточена большая часть современных исследований. Эти тороидальные устройства оснащены большими магнитами, которые управляют движением плазмы — горячего заряженного газа, в котором происходит термоядерный синтез. В докладе говорится, что в данный момент в мире действуют более 50 токамаков и более 10 стеллараторов. Также в настоящее время во Франции при участии 35 стран строится крупнейший в мире токамак ИТЭР.

Существует и другой подход, основанный на инерционном термоядерном синтезе, при котором для нагрева и сжатия крошечных сферических капсул, содержащих топливные таблетки, используются мощные лазеры (или другие средства). В декабре прошлого года ученым Национальной установки по термоядерному зажиганию (NIF) США удалось при использовании этого подхода добиться значительного прогресса в изучении термоядерного синтеза и выработать около 3,15 мегаджоулей (МДж) энергии при энергозатратах в 2,05 МДж от 192 лазеров. «В этом году мы достигли момента, когда мы можем говорить в прошедшем времени о таких недостижимых рубежах, как горение плазмы, термоядерное зажигание и получение количества энергии, превышающего энергозатраты. Это поразительно», — говорит Омар Харрикейн, главный научный сотрудник программы инерционного термоядерного синтеза отдела проектной физики Ливерморской национальной лаборатории имени Э. Лоуренса, США.

В докладе также подробно описаны альтернативные технологии, разрабатываемые учеными для воспроизведения термоядерного синтеза, такие как запуск реакции термоядерного синтеза в точке соприкосновения двух ионных пучков, генерируемых ускорителями частиц, или использование топлива, альтернативного изотопам водорода, например, основанного на слиянии протона с бором-11.

Чтобы продемонстрировать, что термоядерный синтез может быть эффективно использован для производства электроэнергии, в настоящее время все больше усилий направляется на проектирование и строительство демонстрационных термоядерных энергетических установок (DEMO), в которые инвестирует также частный сектор. Отдельная глава публикации посвящена 12 существующим концепциям DEMO, которые в последующие 30 лет будут на различных этапах разработки находиться в Европе, Китае, Республике Корее, России, Соединенном Королевстве Великобритании и Северной Ирландии, Соединенных Штатах Америки и Японии. «Мы достигли значительного прогресса в понимании термоядерного синтеза и его научных основ, но предстоит еще много работы, прежде чем он станет практичным источником электроэнергии», — говорит Барбарино.

Узнайте больше о термоядерном синтезе и роли МАГАТЭ по этой ссылке.

Different approaches, same goal

The new report dedicates each chapter to a different design class, providing details including its name, status, ownership, host country and organization with short descriptions of the device's goals and main features. It also provides statistics about publications, funding and other parameters that help create a comprehensive picture of the status of global fusion efforts.

Tokamaks and stellarators, for example, are the most common devices and the focus of much of the current research. These toroidal devices contain large magnets that control the movement of plasma — a high temperature, charged gas – where fusion occurs. The report shows that there are currently more than 50 tokamaks and over 10 stellarators in operation in the world. The world’s largest tokamak, ITER, is currently under construction in France, with 35 countries involved in the project.

Another approach includes inertial fusion, which uses high-power lasers (or other means) to heat and compress tiny spherical capsules containing fuel pellets. In December last year, using this approach the National Ignition Facility (NIF) in the United States made significant progress in fusion research, generating about 3.15 megajoules (MJ) of energy from the 2.05 MJ energy output of its 192 lasers. " This year we find ourselves in a position where we can talk about the milestones of burning plasmas, fusion ignition, and target energy gain greater than unity in the past tense – a situation that is remarkable,” said Omar Hurricane, Chief Scientist for the Inertial Confinement Fusion Program Design Physics Division, Lawrence Livermore National Laboratory, USA.

The report also details the alternative designs scientists continue to work on for producing fusion, for example, colliding two ion beams generated by particle accelerators with each other, with fusion taking place at their collision point, or trying out fuels other than hydrogen isotopes, such as those based on fusing a proton with boron-11.

To demonstrate that fusion can effectively produce electricity, there is an increasing effort towards design and construction of demonstration fusion power plants, or DEMOs, which today also include investments being made by the private sector. The report also dedicates a chapter to the 12 DEMO concepts at various stages of development in China, Europe, Japan, Russia, the Republic of Korea, the United Kingdom and the United States of America, with varying target completion dates spanning the next three decades. “We’ve made significant progress in understanding fusion and its science, but there is still much work to do before it can become a practical source of electricity,” said Barbarino.

Find out more about fusion and the role of the IAEA here.

Ресурсы по теме

Подробнее

Nuclear science Fusion Physics Section Division of Physical and Chemical Sciences Department of Nuclear Sciences and Applications

More on the IAEA

  1. Contact
  2. Privacy Policy
  3. Logo Usage Guidelines

Scientific resources

  1. NUCLEUS
  2. International Nuclear Information System (INIS)
  3. Power Reactor Information System (PRIS)
  4. Nuclear Data Services (NDS)

Resources

  1. Employment
  2. Gender at the IAEA
  3. Press

Documents

  1. Information Circulars
  2. Treaties
  3. Standards and guides
  4. Safeguards and Additional Protocol

Stay in Touch