Прямое преобразование энергии α-частиц: 70–90 кВт 2. )Предлагается принципиально новая схема удержания и нагрева плазмы: тонкий ламинарный слой плазмы движется по внешней поверхности тороидально-замкнутого винта Архимеда. Шаг винта выбирается кратным 3 (3, 6 или 9 витков на один тороидальный оборот) для рациональной симметрии и удобства механической фиксации в трёх точках. Переменная площадь поперечного сечения потока при постоянной толщине слоя создаёт три (или шесть/девять) периодических зоны геометрического сжатия, в которых локально достигаются условия термоядерного синтеза D-T. Заряженные продукты реакции индуцируют импульсное магнитное поле, которое снимается вторичными обмотками напрямую в электричество. Реактор сочетает простоту конструкции, низкую массу (~50 т) и стоимость прототипа 56–85 млн USD.3.

Введение

Классические токамаки и стеллараторы требуют сложных магнитных систем и больших объёмов плазмы. Предлагаемая схема использует геометрию самой поверхности для создания сжатия, ламинарности и локализации реакции. Идея опирается на ранние работы О. А. Лаврентьева и современные исследования поверхностных течений плазмы. Главные отличия от существующих подходов:

плазма течёт только по наружной поверхности тора, а не заполняет объём;

удержание и сжатие — преимущественно геометрическое + центробежное;

фиксация конструкции — строго в трёх точках.

4. Описание концепции

Основной элемент — тороидальная оболочка диаметром 3 м (R = 1,5 м, a = 0,5 м). На её внешней поверхности сформирован винт Архимеда с шагом 3, 6 или 9 витков на полный оборот (точное количество уточняется 3D-моделированием для оптимального коэффициента сжатия 3–5×).

Плазма (D-T, толщина слоя 8–15 см) движется вдоль этой спиральной «горки» со скоростью 80–250 км/с.

В зонах минимальной ширины «дорожки» происходит геометрическое сжатие → рост плотности и температуры → вспышка синтеза.

После каждой зоны — зона расширения: ввод топлива, откачка гелия, охлаждение стенки.

5. Геометрия реактора

Большой радиус R = 1,5 м

Малый радиус внешней поверхности a = 0,5 м

Длина пути плазмы по винту за один оборот: ≈ 12,6–15 м (в зависимости от шага)

Толщина слоя h = 10 см (постоянная)

Шаг винта: 3 витка (базовый вариант) → 3 зоны сжатия через 120°

Механическая фиксация: три опоры на 0°, 120°, 240° по большому радиусу. Опора — стальная ферма с регулировкой по высоте, жёстко связанная с вакуумной камерой.

Центральная полость тора свободна (диаметр ~2 м) — используется для прокладки коммуникаций и охлаждения.

6. Динамика плазмы и ламинарное течение

Течение организуется по внешней поверхности → центробежная сила F = m v² / (R + a) дополнительно прижимает плазму.

Число Рейнольдса и магнитное Rm остаются в ламинарной области благодаря сильному сдвигу скорости на границах слоя и рациональной геометрии (m/n = 3/k).

Разгон и поддержание: бегущие магнитные волны (1–10 кГц) + небольшой полоидальный ток в плазме.

В стационарном режиме альфа-частицы обеспечивают bootstrap-ускорение.

7. Зоны сжатия и термоядерный синтез

В каждой зоне сжатия площадь сечения уменьшается в 3–5 раз.

Плотность в зоне: 2–4 × 10²⁰ м⁻³

Температура: 12–18 кэВ

Объём трёх зон (для шага 3): 0,09 м³

Термоядерная мощность: 1,14–1,5 МВт (D-T)

Частота вспышек: 300–600 Гц

8. Удержание и системы запуска

Запуск:

Ионизация + начальное закручивание (СВЧ + импульсные катушки).

Разгон бегущими волнами до 120 км/с.

Переход на самоподдержание.

Удержание: геометрия + центробежная сила + слабое электростатическое поле (опционально).

9. Энергосъём и прямое преобразование

Нейтроны → бланкет PbLi (внешняя сторона, толще в зонах сжатия) → тепло → турбина (КПД 35–40 %).

α-частицы → движение в магнитном поле → импульсное B-поле → вторичные обмотки (3 шт., между опорами) → прямая электрика 70–90 кВт (эффективность 30–40 %).

Итоговая нетто-электрическая мощность: 400–500 кВт.

12 февраля 2025 года токомак «WEST» французского цента по атомной и альтернативной энергетике смог удерживать плазму более 22 минут. Тем самым побит предыдущий рекорд по продолжительности существования плазмы, достигнутый на токамаке. Новый шаг вперед дает надежду на то, что термоядерную плазму можно стабилизировать на еще большее время уже в таких машинах, как ITER (Thermonuclear Experimental Reactor).

1337 секунд – именно столько смог стабильно поддерживать плазму токомак WEST (Wolfram Environment in Steady-state Tokamak), работающий на площадке CEA (Atomic Energy Commission) в Кадараше на юге Франции и являющийся средним по размеру токамаком консорциума EUROfusion. Это на 25% лучше предыдущего рекордного времени 1066 секунд, достигнутого EAST в Китае в январе 2025 года.

WEST достиг нового ключевого технологического рубежа, поддерживая водородную плазму более двадцати минут за счет инжекции 2 МВт тепловой мощности.

Для чего используется термоядерный синтез?

Ядерный синтез – это технология, конечной целью которой является управление естественно нестабильной плазмой. Он использует даже меньше ресурсов и топлива, чем ядерное деление и не производит долгоживущих радиоактивных отходов.

Один грамм изотопов водорода может дать энергию, эквивалентную сжиганию 11 тонн угля. Именно поэтому создание коммерчески выгодного термоядерного реактора даст человечеству неограниченную и чистую энергию до конца времен. Это Святой Грааль инженерии, над которым ученые работают уже 80 лет. Термоядерный синтез постоянно идет на Солнце и его относительно легко получить в водородной бомбе, но создание практического реактора, т.е. установки, которая производит больше энергии, чем в нее вложено – совсем другое дело.

Из различных возможных методов получения энергии наиболее продвинутым является магнитный термоядерный синтез, где плазма удерживается в торе интенсивным магнитным полем и нагревается до тех пор, пока ядра водорода не сольются.

Но сложность даже не в том, чтобы заставить атомы слиться. Проблема в создании правильных условий, при которых реакция синтеза будет самоподдерживающейся, с чистым выходом энергии. Это означает, что необходимо достигнуть температур в диапазоне от 100 до 150 миллионов °C, что в 3-5 раз горячее, чем в ядре Солнца и более того, требуется поддержание стабильной высокоэнергетической плазмы в течение как минимум 10 секунд.

Конечная цель ученых

Ученые стремятся контролировать плазму, которая по своей природе нестабильна, при этом необходимо гарантировать, что все компоненты, обращенные к плазме, смогут выдерживать ее излучение без сбоев или загрязнения. Это то, чего намерены достичь исследователи CEA, и что объясняет важность текущего рекорда. В ближайшие месяцы команда WEST удвоит свои усилия по достижению очень длительной длительности плазмы – до нескольких часов в совокупности, а также по нагреву плазмы до еще более высоких температур с целью приближения к условиям, ожидаемым в термоядерной плазме.

Обзорная экскурсия по Центру ядерных исследования и токомаку WEST

Источники:

• CEA

• New Atlas

• News.Ru.Net

P. P. Khvostenko et al. / Fusion Engineering and Design, 2015

В Курчатовском институте состоялся успешный физический пуск токамака Т-15МД, который стал первой за 20 лет новой термоядерной установкой в России. Ожидается, что на нем будут проводиться как эксперименты в рамках проекта термоядерного реактора ITER, так и эксперименты в рамках разработки гибридного реактора, сообщает ТАСС.

Основной целью исследований в области управляемого термоядерного синтеза во всем мире является создание промышленного реактора, который будет способен генерировать электроэнергию, используя реакции слияния ядер изотопов водорода, в частности дейтерия и трития.

Предполагается, что высокоэнергетичные нейтроны, которые рождаются в ходе реакций, будут попадать в бланкет реактора, где отдадут свою энергию теплоносителю или поучаствуют в наработке трития из лития. Однако если в бланкет загрузить различные виды ядерного топлива, например уран-238, торий-232 или минорные актиниды из отработанного топлива, то получится гибридный реактор, который будет способен нарабатывать ядерное топливо или заниматься трансмутацией долгоживущих высокоактивных отходов. Подобные установки привлекательны для ученых, так как требования к ним ниже, чем к термоядерным реакторам.

Т-15МД представляет собой экспериментальный гибридный термоядерный реактор-токамак, который создавался в Курчатовском институте на базе сверхпроводящего токамака Т-15. Ожидается, что в ходе его работы будут проводиться как эксперименты в рамках проекта международного экспериментального термоядерного реактора ITER, так и эксперименты, в которых токамак будет выступать как прототип термоядерного источника нейтронов.

Электромагнитная система и вакуумная камера токамака Т-15МД. Отмечены различные типы управляющих катушек магнитного поля.

P. P. Khvostenko et al. / Fusion Engineering and Design, 2015

Т-15МД не является сверхпроводящим — его магнитная система сделана из серебросодержащего медного проводника с водяным охлаждением. Сам токамак близок к сферомаку (его аспектное отношение равно 2,2), будет работать в импульсном режиме и способен удерживать в течение десяти секунд плазму с максимальным током в два мегаампера. Тороидальное магнитное поле на оси плазменного шнура составит два Тесла. За дополнительный нагрев плазмы будут отвечать инжекторы быстрых атомов, гиротроны, системы нижнегибридного и ионно-циклотронного нагрева, общей мощностью около 20 мегаватт. Вакуумная камера установки сделана из нержавеющей стали, в качестве материала облицовки внутренних стенок и дивертора выбран графит.

18 мая 2021 года в Курчатовском институте успешно прошла церемония физического пуска термоядерной установки Т-15МД, на которой присутствовал премьер-министр Михаил Мишустин. По словам научного руководителя Комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий Петра Хвостенко физический пуск подразумевает собой демонстрацию работоспособности всех технологических систем токамака с получением низкотемпературной плазмы, а дальнейшая работа на установке будет связана с постепенным увеличением тока разряда, и, как следствие, температуры плазмы. Работа с высокотемпературной плазмой начнется до конца этого года.

В беседе с N + 1 научный руководитель АО «НИИЭФА», которое участвовало в создании установки, Олег Филатов отметил, что от старой установки Т-15 осталась лишь инфраструктура, которая модернизируется, а все основные элементы Т-15МД сделаны заново. Сама установка играет одну из главных ролей в национальной термоядерной программе, а результаты, полученные на ней, будут использоваться при разработке будущего сверхпроводящего Токамака с Реакторными Технологиями (TRT), который должен стать полномасштабным прототипом термоядерного реактора и источника нейтронов для гибридного реактора.

Попытки «приручить» термоядерные реакции ведутся как на международном уровне, так и на частном. Подробнее об успехах частных компаний можно узнать из нашего блога и материала.

Александр Войтюк

https://nplus1.ru/news/2021/05/18/t-15-md-start

Фото: Wikimedia / Oak Ridge National Laboratory / CC BY 2.0

Главная проблема термоядерного реактора состоит в том, что температура газа, разогретого до состояния плазмы, значительно превышает температуру на поверхности Солнца. Показательным примером в этом смысле является китайский термоядерный реактор. Внутри токамака EAST, прозванного «китайским искусственным солнцем», учёные разогрели плазму до ста миллионов градусов. В недрах Солнца газ разогревается всего лишь до 15 млн градусов.

Как работает термоядерный синтез. GIF-анимация: Wikimedia / Anynobody / CC BY-SA 3.0

Ни один из существующих материалов длительный нагрев такой температурой выдержать не может — любой, даже самый прочный сплав, созданный в секретных военных лабораториях, деформируется и превратится в пыль, если реакцию чуть-чуть «передержать». Именно по этой причине термоядерная реакция на данном этапе не длится больше минуты. Китайским учёным, по большому счёту, повезло — они смогли удержать плазму и получить некоторое количество энергии в течение 100 секунд, но затем аварийная защита реактора отключила комплекс из-за перегрева.

Современные термоядерные реакторы воспроизводят процессы, происходящие на Солнце, достигая температур, которые превышают температуру солнечного ядра в 6 раз.

Должен быть маленьким

Портативный термоядерный реактор, который работает на мусорном топливе прямо на борту «ДеЛориана» в фильме «Назад в будущее» — по своей сути не такая уж беспочвенная технологическая выдумка. Фактически, концепция, описанная в фильме, представляет собой идеальную потребительскую модель продукта будущего. Но для того, чтобы создать маленький и портативный реактор, нужно сначала достроить большой, и заставить его работать так, как нужно.

В 2020 году во Франции, несмотря на мировую пандемию коронавируса, началась окончательная сборка корпусов первого термоядерного реактора ITER. Ключевым элементом реактора должен стать герметичный криостат и вакуумная камера, внутри которых будет поддерживаться процесс термоядерного синтеза. Закончить сборку обещают к 2025 году, а первый пуск намечен на 2026–2027 год.

ITER, по мнению многих учёных, — это проект, который обязательно провалится, но закрывать который категорически нельзя. Но тут важно понять, что международные распри даже внутри ЕС и научного сообщества в целом влияют на то, как понимают проблему и устройство термоядерного реактора в мире.

Судите сами. Международная группа учёных, включая российских специалистов, десяток лет доводит ITER до совершенства и не меняют конструкцию «кольцевого» реактора. А потом появляются британские учёные, которые говорят, что сферический реактор проще, лучше, дешевле, эффективнее, и несколько раз демонстрируют расчёты потенциального КПД.

К слову, британцы, считающие ITER бесперспективным, испытывают сразу три реактора разных типов. Первый — Tokamak Energy, основан на классическом понимании принципа получения термоядерной энергии и в некотором смысле копирует решения ITER, только в слегка измененном виде.

Экспериментальный термоядерный реактор ITER. Фото: IOP Publishing / International Atomic Energy Agency / The ITER magnet systems: progress on construction

Второй — совместное решение британского Минэнерго и компании Westinghouse, основанное на быстром реакторе со свинцовым охлаждением.

Третий — небольшой высокотемпературный реактор U-Battery с газовым охлаждением. Он максимально приближен к тому, что демонстрировал Эммет Браун в фильме «Назад в будущее».

Профессор физики Войцех Ковалик пояснил, что из-за такой неразберихи у научного сообщества нет точного понимания и единой концепции развития.

«Конечно не будет никакого коммерческого решения ещё лет 30, не меньше. Не развита сама технология, несмотря на суперкомпьютеры и глубокое понимание механизмов, по которым плазма взаимодействует с реактором. Наука сейчас лишь на первой ступени в истории с термоядерным синтезом. ITER делу не поможет — это большая лаборатория, постройка которой поможет понять, ошибались ученые в понимании плазмы или нет», — говорит Ковалик.

В таких условиях, по словам Ковалика, нет смысла рассуждать ни о больших, ни тем более о маленьких портативных реакторах. Единственным существующим решением в этой области, по словам Ковалика, остается реактор Тони Старка из фильма «Железный человек», хотя и ту технологию дальше эксперимента никуда не выводили.

В теории создания портативного термоядерного реактора максимально преуспел американский физик Сальваторе Сезар Пайс (Salvatore Cezar Pais) из авиационного дивизиона Военно-морского военного центра. Он запатентовал технологию нагрева и удержания плазмы в тепловом контуре с помощью динамического фузора. Устройства, которое быстро вращаются и сильно вибрируют внутри камеры, создавая «концентрированный поток магнитной энергии» (concentrated magnetic energy flux). Но почти сразу публикаций статьи об этом открытии патент засекретили.

Топливное бешенство

Нет общего мнения и по части топлива, которым нужно «топить» термоядерные реакторы. «Свидетели секты изотопов гелия» считают, что сжигание гелия-3 в топке термоядерного реактора первого поколения — это решение на 200–300 лет, пока не придумают что-нибудь получше. Реалисты отвечают расчётами стоимости добычи гелия-3 в лунном грунте и стоимости его доставки на Землю.

Наиболее перспективными в данный момент считают два вида топливных пар: дейтерий-тритий, и гелий-3-бор. Первый вид топлива считается предпочтительным для использования в «базовых» реакторах на начальной стадии развития технологий, вторая топливная сборка понадобится, когда «термояд» освоят в промышленных масштабах.

Вероятный облик завода, добывающего гелий-3 на Луне. Фото: ExplainingTheFuture

Но совсем недавно физики из МТИ протестировали третий вид топлива: дейтерий-водородную топливную сборку, в которую добавляется специальная «присадка». В качестве последней используется хорошо знакомый сторонникам лунной колонизации гелий-3. Изотоп гелия, как выяснилось в ходе экспериментов, ускоряет реакцию и облегчает «течение» плазмы внутри стенок реактора.

В новом типе топлива концентрация гелия-3 составляет меньше одного процента. Но именно ионы газа ускоряют реакцию и снижают количество электроэнергии, необходимой, чтобы «поджечь» термоядерную реакцию.

Главная проблема состоит в том, что практического применения ни одна из этих топливных сборок, как и сами реакторы, могут не увидеть. Сложность кроется там, где всегда рождается множество споров. Бюрократические тонкости и разногласия учёных привели к тому, что до сих пор ни одной страной мира, ни ведущими агентствами по ядерной энергетике (например, МАГАТЭ) не утверждены рекомендованные к испытаниям термоядерные реакторы.

По существу, даже ITER, строительство которого обошлось в 45 млрд евро, представляет собой очень дорогую и рискованную попытку понять, как можно обуздать и подчинить термоядерный синтез. В случае, если термоядерная реакция выйдет из-под контроля и земли недалеко от курортного Марселя превратятся в семипалатинский ядерный полигон, ошибку постараются списать на кого-то одного, а не на научное сообщество в целом. Именно по этой причине прогресса с получением «чистой энергии» не удаётся достичь много лет.

Источник.