Вокруг Света 2008 № 10 (2817) - [18]

А что же стеллараторы?

После закрытия американской стеллараторной программы исследования на них продолжались в СССР, Англии, Германии, Франции, а потом и в Японии. Были найдены причины неудачи американских экспериментов. Главная из них — недооценка точности, с которой должны изготавливаться обмотки магнитов. Она лежит на пределе возможностей современного машиностроения. К тому же детали магнитной системы стелларатора имеют крайне сложную форму и сделаны из очень неудобных материалов — меди или сверхпроводящих сплавов. Ошибки масштаба 1:10 000 в размерах или форме магнитных обмоток приводят к заметным нарушениям структуры магнитного поля. Ловушка становится «дырявой» и время удержания плазмы резко падает. Поэтому построить стелларатор намного сложнее, чем такого же размера токамак.

В то же время стелларатор в качестве основы будущего термоядерного реактора имеет важные преимущества. Магнитное поле в нем можно не выключать годами. То есть в принципе он может работать в постоянном режиме, что и требуется для термоядерного реактора. В токамаке же для поддержания тока в плазме требуется импульсное магнитное поле, так что время существования плазмы в нем ограничено. Удастся ли добиться стационарного режима в реакторе-токамаке, пока никто не знает.

Другое важное преимущество стеллараторов — отсутствие самой опасной из неустойчивостей плазмы, так называемых больших срывов. В токамаке винтовое магнитное поле создается током, который течет прямо по плазме и подвержен колебаниям и движениям вместе с ней. Иногда в результате этих колебаний структура удерживающего магнитного поля меняется так неудачно, что плазма буквально вылетает на стенку камеры. Это и есть большой срыв. В таком крупном реакторе, как ИТЭР, где запас энергии плазмы эквивалентен 250 килограммам тротила, это может привести даже к разрушению стенки реактора. Вот почему в проект заложено требование: большой срыв может случаться не чаще раза в год. Зато в стеллараторах, где структура магнитного поля не зависит от движения плазмы, такой проблемы просто нет.

Исследования на стеллараторах прошли тот же длинный путь, что и на токамаках. Но по объему выполненных научных работ стеллараторы отстают от токамаков на целое поколение — лет на 10. Это и понятно — в мире работает около 200 токамаков и всего несколько стеллараторов. И все же отставание постепенно сокращается. Время удержания плазмы в современных стеллараторах составляет уже десятые доли секунды, а ее параметры в самых крупных моделях — немецком Wendelstein и японском LHD — не уступают лучшим достижениям токамаков и приближаются к реакторным. Мощность термоядерных реакций достигает уже 80% от вложенной в плазму. При обсуждении долговременных планов развития термоядерной энергетики часто высказывается мысль, что первые реакторы, конечно, должны быть токамаками, а вот первая термоядерная электростанция, возможно, будет построена на основе стелларатора.

Международный план ускоренного создания термоядерной энергетики

2007–2014 ИТЭР: строительство

2008–2014 СИМ: строительство

2012–2017 ДЕМО: концептуальное проектирование

2015–2018 ИТЭР: эксперименты с водородной и дейтериевой плазмой

2015–2023 СИМ: тестирование сталей

2017–2024 ДЕМО: инженерное проектирование

2019–2025 ИТЭР: первая фаза работ с дейтерий-тритиевой плазмой

2024–2033 ДЕМО: строительство реактора и первой очереди бланкета

2025–2036 ИТЭР: вторая фаза работ с дейтерий-тритиевой плазмой

2028–2040 СИМ: тестирование специальных материалов

2031–2037 ТЯЭС: концептуальное проектирование

2033–2041 ДЕМО: тестовая эксплуатация, строительство второй очереди бланкета

2037 ИТЭР: демонтаж

2037–2045 ТЯЭС: начало инженерного проектирования

2041 ДЕМО: начало эксплуатации

2045 ТЯЭС: начало строительства

Даешь термояд к середине века!

Строительство реактора ИТЭР займет 8 лет и первая плазма в реакторе должна появиться в 2015 году. Сначала в экспериментах будет использоваться обыкновенный водород, без дейтерия и трития, чтобы научиться выводить параметры разряда на расчетный режим. Затем пройдут эксперименты с дейтериевой плазмой, и только потом будет добавлен тритий. Делается это для того, чтобы не расходовать ресурс по наведенной радиоактивности, пока решаются задачи, прямо не связанные с осуществлением термоядерной реакции. Одновременно в Японии сооружается Стенд для испытания материалов (СИМ). На нем будут изучаться последствия нейтронного облучения специальных марок стали и других материалов, использующихся для сооружения реактора.

Следующий шаг — создание Демонстрационного реактора ДЕМО. Его проектирование начнется после 2015 года, а запуск ожидается в 2030—2035 годах. В нем уже должен быть реализован полный цикл переработки термоядерной энергии с выдачей электричества во внешнюю сеть, чтобы продемонстрировать не только принципиальную осуществимость, но и коммерческую привлекательность термоядерного реактора. И, наконец, около 2045 года может начаться строительство коммерческой термоядерной электростанции (ТЯЭС).

В этом плане каждый шаг начинается еще до завершения предыдущего. Получаемые в результате испытаний данные сразу же учитываются и используются в ходе создания следующей установки. Это позволит сэкономить около 20 лет. И все равно энергия от термоядерных электростанций придет в дома не раньше 2050 года.