Термоядерные реакторы и сверхпроводящий магнит
Впервые о проекте под названием ARC (аббревиатура слов «affordable, reliable, compact»/ «доступный, надежный, компактный») заговорили в 2015 году. Установка представляет собой токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) радиусом 3,3 м. То есть она в 2 раза меньше, чем, например, международный ITER, строящийся во Франции.
Магнит разрабатывали три года. 5 сентября исследователям удалось получить напряженность поля на уровне 20 тесла. Это самое мощное магнитное поле, которое когда-либо создавалось на Земле.
Как любой токамак, ARC предполагает создание плазмы, необходимой для термоядерного синтеза, с помощью электромагнитного поля. Но если для его формирования в ITER и многих других аналогичных установках используются низкотемпературные сверхпроводящие магниты, требующие охлаждения до -269 °C, то в новой разработке применяются «высокотемпературные», работающие при -253 °C, проводники. Они создают мощное магнитное поле, занимая мало пространства, что позволяет сделать реактор более компактным и дешевым.
В качестве основы исследователи Массачусетского технологического (MIT) взяли имеющийся в свободной продаже сверхпроводящий материал в виде узкой ленты, ученые вместе со специалистами Commonwealth Fusion Systems работали над тем, чтобы сделать на ее основе электромагнит для SPARC — уменьшенного приблизительно в 2 раза прототипа проектируемого реактора.
В готовой конструкции ленты сверхпроводника общей длиной 267 км соединены в 16 листов, установленных внутри D-образного корпуса. При охлаждении до –253,15 °C и подаче электропитания система превращается в сверхпроводящий магнит.
В ходе испытаний сила магнитного поля в нем достигала 20 Тл. Это дает возможность называть разработку самым мощным из когда-либо изготовленных устройств для удержания плазмы. По заявлению исследователей, для получения аналогичных показателей при использовании низкотемпературных сверхпроводников нужен в 40 раз более крупный реактор.
Ученые считают, что благодаря новому магниту SPARC первым среди всех установок для термоядерного синтеза сможет генерировать больше энергии, чем потребляет. Как ожидается, проверить это утверждение получится уже в 2025 году — таков предполагаемый срок завершения строительства SPARC.
Исследователи параллельно работали с двумя возможными конструкциями магнитов. Получившийся магнит состоит из 16 пластин, сложенных вместе, каждая из которых сама по себе может быть самым мощным высокотемпературным сверхпроводящим магнитом в мире.
Передача энергии у ARC происходит с помощью так называемой «рубашки», которая расположен по внутренней стенке реактора, в которой циркулирует FLiBe — lithium fluoride и beryllium fluoride. При рабочих температурах (где-то около 500-600°С) эта прозрачная жидкость, инертна по отношению к окислителям в отличие от натрия и имеет высокую теплоемкость (как у воды) и высоую температуру кипения. Она улавливает нейтроны, нагревается и через теплообменник вне реактора передает тепло воде, которая за счет пара и крутит турбины