Демонстрационные термоядерные энергетические установки

Цель ИТЭР — крупнейшего в мире экспериментального проекта в области термоядерного синтеза — состоит в том, чтобы доказать возможность выработки нетто-энергии в результате термоядерной реакции. Следующим важным шагом станет демонстрация возможности производства нетто-электроэнергии из термоядерной энергии. Именно для этого нужны DEMO — демонстрационные термоядерные энергетические установки.

Реакторы типа DEMO — это скорее концептуальные проекты, а не конкретные конфигурации термоядерных устройств. Предварительные конструкции финансируемых за счет государственных средств DEMO, создаваемых в нескольких странах, еще предстоит доработать. Это будет сделано после получения результатов экспериментов на ИТЭР.

Планируется, что DEMO будут функционировать почти непрерывно, а чистый прирост электроэнергии будет составлять более 50 мегаватт (МВт). Ключевая проблема, которую они призваны решить, заключается в том, как поддерживать стабильность термоядерной плазмы в течение достаточно длительного времени, чтобы производить энергию на постоянной основе.

Хотя многие решения относительно DEMO еще не приняты, обеспеченный государственным финансированием DEMO, скорее всего, будет представлять собой реактор типа токамак, и в качестве топлива в нем будут использоваться тяжелые изотопы водорода — дейтерий и тритий. Однако доступные мировые запасы трития невелики, поэтому сами DEMO должны будут производить тритий в достаточном количестве с помощью так называемых бланкетов, предназначенных для воспроизводства и извлечения трития. Сеила Гонсалес де Висенте, физик — специалист по термоядерному синтезу в МАГАТЭ, говорит, что также предстоит решить проблемы, связанные с подачей, улавливанием, удержанием, извлечением и отделением трития.

Еще одним важным отличием реакторов типа DEMO от существующих экспериментальных реакторов будет добавление систем и использование технологий поглощения термоядерной энергии и ее преобразования в электроэнергию.

«Для установок типа DEMO необходимо разработать и интегрировать сложные элементы и системы, которых нет на существующих экспериментальных термоядерных устройствах. Требуются, в частности, такие элементы, как бланкеты для воспроизводства трития, системы генерации электроэнергии и системы контроля горения, — рассказывает Элизабет Сарри, глава Отдела технологий Управления по атомной энергии Соединенного Королевства. — Условия работы DEMO особенно неблагоприятны для материалов, поскольку горящая плазма создает большой поток нейтронов и высокую плотность энергии на стенках. Для DEMO требуется разрабатывать новые материалы и технологии».

Роль МАГАТЭ

Концепции DEMO и подходы к их реализации изучают группы исследователей в разных странах. МАГАТЭ содействует международной координации и обмену наилучшей практикой, проводя технические совещания и — с 2012 года — регулярные семинары-практикумы по программе DEMO. Они позволяют обсуждать физико-технические вопросы, обмениваться стратегиями осуществления программ DEMO и анализировать возможные варианты действий. Со временем акцент сместился с общих концепций на конкретные технические проблемы, которые необходимо решить.

«На технических совещаниях МАГАТЭ и семинарах-практикумах по программе DEMO внимание сосредоточено на выявлении проблем и обсуждении проводимых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, что позволяет нам совместно определять потребности и анализировать возможные решения. Один из примеров — появление серьезной проблемы управления плазмой на установках типа DEMO, когда требуется длительное или почти непрерывное удержание плазмы», — объясняет Сарри, выполнявшая функции председателя на последних трех семинарах-практикумах по программе DEMO в 2016–2019 годах.

Планы по всему миру

Хотя все еще рассматриваются различные варианты производства электроэнергии с помощью термоядерного синтеза, научно-технические вопросы, которые предстоит решить, в целом согласованы. Разные страны установили различные сроки, но общий консенсус среди ученых заключается в том, что они могут построить и ввести в эксплуатацию реактор типа DEMO, вырабатывающий электроэнергию, к 2050 году.

В Китае был достигнут существенный прогресс в планировании строительства Китайского испытательного термоядерного реактора (CFETR). Это устройство поможет преодолеть разрыв между ИТЭР и DEMO. Сооружение CFETR начнется в 2020‑е годы, после чего в 2030‑е годы будет построена установка DEMO.

В Европе за разработку DEMO отвечает консорциум EUROfusion. В настоящее время этот проект находится на этапе концептуального проектирования (2021–2027 годы). Он призван продемонстрировать осуществимость термоядерного синтеза с технической и экономической точки зрения путем производства нескольких сот мегаватт нетто-электроэнергии.

Индия объявила о том, что примерно в 2027 году она планирует приступить к сооружению устройства под названием SST-2, предназначенного для проверки концепций и элементов реактора для DEMO, а в 2037 году — к строительству самой установки DEMO.

Японская объединенная специальная проектная группа по термоядерной установке DEMO в настоящее время работает над концептуальным проектом DEMO с непрерывным потоком плазмы (JA DEMO). Строительство этого устройства должно начаться около 2035 года.

В 2012 году Республика Корея начала разработку концептуального проекта установки K-DEMO, намереваясь к 2037 году приступить к ее строительству, а в 2050 году — к производству на ней электроэнергии. На первом этапе (2037–2050 годы) K-DEMO будет использоваться для разработки и тестирования элементов, которые затем будут реализованы в ее конструкции. На втором этапе (после 2050 года) предполагается, что она сможет обеспечить выработку нетто-электроэнергии.

Российская Федерация планирует создать гибридную установку синтеза-деления с термоядерным источником нейтронов (ДЕМО-ТИН), в которой полученные в результате термоядерного синтеза нейтроны будут использоваться для преобразования урана в ядерное топливо и ликвидации радиоактивных отходов. ДЕМО-ТИН планируется построить к 2023 году в рамках национальной ускоренной стратегии по созданию термоядерной электростанции к 2050 году.

Эксперты по термоядерному синтезу в Соединенных Штатах Америки недавно опубликовали два доклада, в которых рекомендуется начать национальную научно-техническую программу, предусматривающую налаживание государственно-частного партнерства, чтобы в конечном итоге сделать термоядерный синтез коммерчески рентабельным. Этого планируется достичь в период 2035–2040 годов, чтобы сделать страну одним из лидеров в области термоядерного синтеза и ускорить ее переход к низкоуглеродной энергетике к 2050 году.

Параллельно с этим многочисленные коммерческие предприятия, получающие средства из частных источников, также делают успехи в развитии концепций термоядерных электростанций, опираясь на ноу-хау, появившиеся за годы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, финансируемых государствами, и предлагая еще более амбициозные сроки.