Искусственное Солнце: что такое токамак и у каких стран он есть

Специалисты Курчатовского института смогли получить на термоядерной установке токамак Т-15МД плазменный заряд с температурой в 40 миллионов градусов по Цельсию, что вдвое превышает температуру в центре Солнца. Таким образом российские ученые стали на шаг ближе к созданию нового, вечного и безопасного источника энергии. Подробности о том, что такое токамак, который также называют искусственным Солнцем, читайте в материале РИАМО.

Что такое токамак?

Токамак – это сокращение от словосочетания «тороидальная камера с магнитными катушкам», которое сегодня используется как в России, так и за рубежом. Суть токамака в том, чтобы создать магнитное поле, в котором будет протекать реакция термоядерного синтеза. Температура такой реакции не просто высока, а по-настоящему запредельна – она может достигать нескольких миллионов градусов Цельсия.

А вещество внутри токамака при этой температуре находится в четвертом агрегатном состоянии – состоянии плазмы. При этом реакцию термоядерного синтеза нельзя проводить в обычной камере, поскольку, из какого бы материала она ни была сделана, ее ожидает неминуемое расплавление задолго до того, как токамак достигнет своей рабочей температуры.

Именно поэтому термоядерный синтез в токамаке проходит внутри магнитного поля. Чтобы создать его, в устройстве устанавливаются секции с намотанными катушками внутри. Они идут по всей длине камеры, создавая подобие замкнутого тоннеля, а магнитное поле, создающееся при помощи них, называют тороидальным. Именно оно и является рабочей зоной токамака.

Прежде чем запустить токамак, из его камеры откачивают воздух, место которого занимает смесь дейтерия и трития, изотопов водорода. Ядро первого состоит из протона и нейтрона, а ядро второго – из протона и двух нейтронов. Именно дейтерий и тритий – это основа реакции термоядерного синтеза.

После того как камеру токамака заполняет смесь дейтерия и трития, в ней создается вихревое электрополе: с одной стороны, оно поддерживает плазму внутри камеры, а с другой – разогревает ее, постепенно доводя до огромной температуры в несколько миллионов градусов. При этом и поле, и нагрев создаются благодаря увеличению тока в индукторе, который не может расти бесконечно.

Именно поэтому сегодня плазма в стабильном состоянии существует внутри токамака всего несколько секунд – а значит, устройство пока не может выступать в роли промышленного источника для получения энергии. Решить эту проблему разными путями (в том числе при помощи микроволнового излучения) сегодня пытаются ученые со всего мира.

Кто создал первый токамак?

Впервые идея о том, чтобы использовать термоядерный синтез для разных (в том числе промышленных) целей, появилась в работе советского физика Олега Лаврентьева. Год спустя его коллеги Андрей Сахаров и Игорь Тамм эту развили идею: они пришли к выводу, что реакция термоядерного синтеза должна поддерживаться внутри замкнутой камеры тороидальной формы.

Тор (или тороид) – это объемная фигура, которая получается при вращении кольца вокруг центра. В качестве грубых примеров тороидов из повседневной жизни можно привести пончик или бублик. А обозначение самого токамака придумал Игорь Головин, ученик академика Игоря Курчатова. Правда, в его варианте устройство должно было называться «Токамаг» – сокращение от «тороидальная камера магнитная». Но прижился в итоге более благозвучный вариант с буквой «К» на конце.

Первый действующий токамак появился в Советском Союзе в 1954 году – затем на протяжении 14 лет, до 1968 года, подобные устройства были только в нашей стране. Причина была проста: в то время мало кто в мире верил, что внутри камеры в принципе может существовать столь высокая температура. Все изменилось после того, как в Институте атомной энергии имени Курчатова побывали английские ученые.

В каких странах мира есть токамаки?

Специалисты из Великобритании на собственном оборудовании подтвердили, что температура внутри советского токамака Т-3 находится на уровне в 11,6 миллиона градусов Цельсия. Именно после этого в мире произошел взрывной рост популярности как самих токамаков, так и исследований в области термоядерного синтеза. Сегодня токамак считается наиболее перспективным способом как получения энергии такого синтеза, так и изучения плазмы в качестве агрегатного состояния вещества.

В настоящее время исследования в области токамаков проводятся в самых разных странах мира. К примеру, Китайская Академия технических наук разработала большой экспериментальный токамак HT-7, который эксплуатировался с 1986 по 2003 год. В настоящее время Китай строит масштабный международный проект – токамак EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak), который является одним из самых крупных в мире. Он начал работать в 2006 году и использует суперпроводящие магниты для создания сильного магнитного поля.

Другая страна, известная своими достижениями в области термоядерного синтеза, – Франция. Ученые из этой страны также разрабатывают и эксплуатируют токамаки. Известный пример – устройство Tore Supra, которое начало свою работу в 1988 году, а также его усовершенствованная версия WEST (W Environment for Steady-state Tokamak), запущенная в 2016 году. Они используют прогрессивные инженерные решения для достижения стабильной работы плазмы и снижения напряжений на стенках реактора.

Кроме того, исследования и разработки в области токамаков ведутся в таких странах, как США, Япония, Германия и Южная Корея. В США Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора и Princeton Plasma Physics Laboratory занимаются разработкой и экспериментами на токамаках. В Японии на этом специализируются Национальный институт физических и естественных наук (NIFS) и Японская ассоциация для поддержания термоядерного синтеза (JAEA). Что касается России, то в нашей стране активную работу в области разработки и эксплуатации токамаков ведет Национальный исследовательский центр (НИЦ) «Курчатовский институт» в Москве.

Что известно о новейшем российском токамаке Т-15МД?

Сегодня самым современным российским токамаком является Т-15МД, созданный на базе НИЦ «Курчатовский институт». Физический пуск его установки состоялся 18 мая 2021 года при участии премьер-министра России Михаила Мишустина. Этот пуск стал начальным этапом ввода токамака в строй, а также демонстрацией работоспособности всех его систем. Следующим этапом стал энергетический пуск Т-15МД, состоявшийся 31 марта нынешнего года. В ходе него на токамаке впервые получили высокотемпературную плазму.

«Ее температура составила порядка миллиона градусов при длительности импульса 100 мс. При этом установка вышла на потребленную мощность ~30 МВт», – рассказали в пресс-службе НИЦ «Курчатовский институт».

После энергетического пуска токамак постепенно стали выводить на проектные параметры. С учетом мирового опыта такой процесс для установок класса «мегасайенс» (именно к нему относится Т-15МД) может быть очень длительным. Однако уже 15 декабря, спустя всего восемь месяцев после энергопуска, в токамаке Т-15МД получили разряд с током плазмы 260 кА длительностью более двух секунд.

Температура электронной компоненты плазмы составила около 40 миллионов градусов – в два раза выше температуры в центре Солнца. При этом сегодня, параллельно со вводом в строй мегаустановки Т-15МД, также решается задача как по разработке, так и по сооружению уникальных систем дополнительного нагрева плазмы. С учетом этого факта выход на такие показатели плазмы за столь короткий срок с момента энергопуска установки – рекорд в мировой практике, отметили в пресс-службе.

«Обычно на достижение [подобных – прим. РИАМО] результатов уходят годы. У нас установка заработала гораздо быстрее, и мы получили просто уникальные параметры», – сказал президент НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Ковальчук, подчеркнув, что достигнутые параметры не являются самоцелью.

«Установка важна для нас как термоядерный источник нейтронов – часть технологического цикла будущей „зеленой” ядерной энергетики, „Атомного проекта 2.0”. Мы первые в мире это предложили, а теперь впервые решили задачу создать прототип токамака, который стал бы мощным источником нейтронов», – заключил он.