Китай объявляет о создании гибридной электростанции ядерного синтеза и деления к 2028 году

30 декабря 2021 года команда экспериментального усовершенствованного сверхпроводящего токамака в Институте физики плазмы в Хэфэе объявила, что ей удалось поддерживать плазму в течение более 17 минут при температуре свыше 70 миллионов градусов. Амбиции Китая в области термоядерной энергии теперь кажутся безграничными: он планирует построить крупнейшую в мире импульсную электростанцию. По словам главного ученого проекта, страна может получить термоядерную энергию к 2028 году.

Ядерный синтез сегодня считается Святым Граалем энергии. Мощная, чистая, безопасная и неисчерпаемая термоядерная энергия стала бы настоящим прорывом для человечества. Однако она по-прежнему остается неуловимой. Несмотря на прогресс, достигнутый за последние десять лет государственными и частными организациями, ни одной лаборатории ни в одной стране пока не удалось построить реактор, вырабатывающий больше энергии, чем необходимо для начала термоядерной реакции. Однако исследователи ставят рекорд за рекордом: недавно корейский токамак (KSTAR) поддерживал плазму при температуре 100 миллионов градусов в течение 30 секунд.

Вопреки всем ожиданиям, Китай только что объявил об особенно амбициозных планах: он одобрил строительство крупнейшей в мире импульсной электростанции, которая будет расположена в Чэнду, в провинции Сычуань. Профессор Пэн Сяньцзюэ, ведущий ученый Китайской академии инженерной физики и эксперт в области ядерной энергии, считает, что его страна получит термоядерную энергию в течение ближайших шести лет. «Быть первым в мире, кто достигнет выделения термоядерной энергии в энергетическом масштабе, будет самой важной вехой на пути к термоядерной энергии для людей«, — сказал он 9 сентября на встрече, организованной пекинским аналитическим центром Techxcope.

Производство термоядерной энергии — особенно сложный процесс, требующий экстремальных температур (порядка 100 миллионов градусов) и сложнейших технологий удержания плазмы. По словам профессора Сяньцзюэ, «термоядерное зажигание — это жемчужина науки и техники в современном мире«, сообщает South China Morning Post.

Помимо последнего рекорда корейского токамака, в конце 2021 года совместная европейская коллаборация «Торус» также побила рекорд, произведя 59 мегаджоулей энергии в течение 5 секунд — огромный шаг вперед для этого реактора, который служит испытательным стендом для проекта ИТЭР. Эти проекты, как и большинство существующих экспериментальных термоядерных реакторов, основаны на магнитном удержании термоядерного синтеза. Но будущая китайская электростанция будет опираться на совершенно другую технологию: планируется производить термоядерную реакцию путем инерционного удержания, достигаемого осевым защемлением (или Z-pinch).

Этот подход может быть более эффективным и экономичным, поскольку для реакторов Z-pinch не требуются сложные массивы магнитных катушек или дорогостоящие экранирующие материалы. Капсула с топливом (дейтерий и тритий) помещается в центр цилиндрического массива металлических проводов (вольфрамовых или алюминиевых). Затем сильный электрический импульс испаряет этот цилиндр и превращает его в плазму, а магнитное поле, создаваемое током, сжимает эту плазму. Резкое увеличение давления плазмы создает сильное рентгеновское излучение, которое, в свою очередь, сжимает капсулу, содержащую атомы, подлежащие слиянию.

Z-машины могут накапливать огромное количество электроэнергии и высвобождать ее за несколько наносекунд. Изначально они были предназначены для производства ядерного оружия. Эта новая Z-pinch машина должна быть завершена в 2025 году и, как ожидается, будет производить 50 миллионов ампер электроэнергии. Это почти в два раза больше, чем способна произвести «Z-машина» в Сандийской лаборатории в Альбукерке, штат Нью-Мексико.

Комбинирование энергии синтеза и деления для повышения эффективности

Ни одной из существующих Z-машин пока не удалось выработать больше энергии, чем требуется для создания электрического импульса. В своей презентации Сяньцзюэ сказал, что он и его команда попытаются инициировать термоядерную реакцию с помощью скромного количества топлива. Они намерены регулировать процедуру, чтобы ограничить высвобождаемую энергию импульса несколькими сотнями миллионов джоулей — примерно такой же энергией обладает 20-килограммовый пакет тротила.

Но в отличие от большинства современных экспериментов, энергия термоядерного синтеза, вырабатываемая этой китайской установкой, не будет использоваться непосредственно для электроснабжения: цель состоит в том, чтобы создать поток быстрых частиц, которые ударят в уран, топливо для компонента деления установки. Задача состоит в том, чтобы создать поток быстрых частиц, которые ударят по урану, топливу для делящегося компонента установки, поскольку Пекин хочет построить гибридную электростанцию, основанную как на термоядерном синтезе, так и на энергии деления.

Говоря конкретнее, стены камеры термоядерного зажигания будут покрыты ураном, который будет поглощать частицы, образующиеся в результате термоядерного синтеза, образуя два более легких элемента — процесс, аналогичный тому, который используется на нынешних атомных электростанциях. По оценкам ученых проекта, такое сочетание реакций позволит увеличить общую тепловую эффективность установки в 10-20 раз.