Подход Великобритании к производству термоядерной энергии оформился с объявлением программы STEP (сферический токамак для производства энергии) в 2019 году. Ее первая фаза (2019-2024) завершилась выпуском концептуального проекта прототипа интегрированной термоядерной электростанции. Она будет основана на использовании магнитного поля для удержания плазмы с помощью токамака, однако STEP Великобритании будет использовать сферический токамак вместо традиционного токамака в форме пончика, используемого в ИТЭР. Считается, что сферический токамак имеет несколько преимуществ. Завод будет построен в Ноттингемшире и, как ожидается, будет введен в эксплуатацию в начале 2040-х годов.
Потребность в надежном источнике чистой энергии для удовлетворения растущего спроса на энергию со стороны растущего населения и мировой экономики, который мог бы быстро помочь справиться с проблемами (созданными исчерпаемыми ископаемыми видами топлива, выбросами углерода и изменением климата, экологическими рисками, связанными с ядерными реакторами деления, и плохой масштабируемостью возобновляемых источников), никогда не ощущалась так остро, как в настоящее время.
В природе ядерный синтез питает звезды, включая наше Солнце, который происходит в ядре звезд, где преобладают условия синтеза (а именно, чрезвычайно высокая температура в диапазоне сотен миллионов градусов по Цельсию и давление). Возможность создания контролируемых условий синтеза на Земле является ключом к неограниченной чистой энергии. Это включает в себя создание среды синтеза с очень высокой температурой, чтобы провоцировать столкновения высоких энергий, которая имеет достаточную плотность плазмы, чтобы увеличить вероятность столкновений, и которая могла бы удерживать плазму в течение достаточного времени, чтобы обеспечить синтез. Очевидно, что инфраструктура и технологии для удержания и контроля перегретой плазмы являются ключевыми требованиями для коммерческой эксплуатации энергии синтеза. Различные подходы изучаются и применяются во всем мире для удержания плазмы с целью коммерческой реализации энергии синтеза.
Инерциальный термоядерный синтез (ICF)
В подходе инерциального термоядерного синтеза условия термоядерного синтеза создаются путем быстрого сжатия и нагрева небольшого количества термоядерного топлива. Национальный центр зажигания (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) использует технологию лазерной имплозии для взрыва капсул, заполненных дейтерий-тритиевым топливом, с использованием высокоэнергетических лазерных лучей. NIF впервые осуществил термоядерное зажигание в декабре 2022 года. Впоследствии термоядерное зажигание было продемонстрировано трижды в 2023 году, что подтвердило концепцию того, что управляемый ядерный синтез может быть использован для удовлетворения энергетических потребностей.
Метод магнитного удержания плазмы
Использование магнитов для ограничения и управления плазмой для термоядерного синтеза испытывается во многих местах. IITER, самое амбициозное сотрудничество в области термоядерной энергетики из 35 стран, базирующееся в Сен-Поль-ле-Дюранс на юге Франции, использует кольцевой тор (или магнитное устройство в виде пончика), называемое токамаком, которое предназначено для ограничения термоядерного топлива в течение длительного времени при достаточно высоких температурах для воспламенения термоядерного синтеза. Являясь ведущей концепцией ограничения плазмы для термоядерных электростанций, токамаки могут поддерживать термоядерную реакцию до тех пор, пока сохраняется стабильность плазмы. Токамак ITER станет крупнейшим в мире.
Британская программа термоядерного синтеза STEP (сферический токамак для производства энергии):
Как и ITER, программа синтеза STEP в Великобритании основана на магнитном удержании плазмы с помощью токамака. Однако токамак программы STEP будет сферической формы (вместо пончика ITER). Сферический токамак компактен, экономически эффективен и может быть проще в масштабировании.
Программа STEP была анонсирована в 2019 году. Ее первый этап (2019–2024 годы) завершился выпуском концептуального проекта прототипа интегрированной термоядерной силовой установки.
Тематический выпуск Philosophical Transactions A Королевского общества под названием «Доставка термоядерной энергии – сферический токамак для производства энергии (STEP)” состоящий из 15 рецензируемых статей, был опубликован 26 августа 2024 года, в котором подробно описывается технический прогресс программы по проектированию и строительству первой в Великобритании опытной установки для производства электроэнергии из термоядерного синтеза. В статьях содержится полный обзор требуемых технологий проектирования и набросков, а также их интеграция в опытную установку к началу 2040-х годов.
Программа STEP направлена на то, чтобы проложить путь к коммерческой жизнеспособности термоядерного синтеза, продемонстрировав чистую энергию, топливную самодостаточность и жизнеспособный путь к обслуживанию завода. Она использует целостный подход к предоставлению полностью работоспособного прототипа завода, который также рассматривает вывод из эксплуатации как часть проекта.
Ссылки:
- Правительство Великобритании. Пресс-релиз – Великобритания лидирует в мире по проектированию термоядерных электростанций. Опубликовано 03 сентября 2024 г. Доступно на https://www.gov.uk/government/news/uk-leading-the-world-in-fusion-powerplant-design
- «Поставка термоядерной энергии – сферический токамак для производства энергии (STEP)». Тематическое издание Philosophical Transactions A Королевского общества. Все 15 рецензируемых статей в тематическом выпуске, опубликованном 26 августа 2024 года. Доступно по адресу https://royalsocietypublishing.org/toc/rsta/2024/382/2280
- Британские исследователи представили краткий обзор проектов новой термоядерной электростанции. Наука. 4 сентября 2024 г. DOI: https://doi.org/10.1126/science.zvexp8a
Статьи по теме
- Коричневые карлики (BD): телескоп Джеймса Уэбба идентифицирует наименьший объект, сформированный звездоподобным образом (5, январь 2024)
- «Термоядерное зажигание» продемонстрировано в лаборатории Лоуренса в четвертый раз (20, декабрь 2023)
- Fusion Ignition становится реальностью; Энергетическая безубыточность достигнута в лаборатории Лоуренса (15, декабрь 2022)
