Кіріспе

Магниттік тұтқындаудағы термоядролық синтез (MCF) – магниттік өрістерді плазма күйіндегі синтез отынын шектеуге пайдаланатын термоядролық синтез қуатын өндіру тәсілі. Магниттік тұтқындау – инерциялық тұтқындаумен қатар бақыланатын синтез зерттеулерінің екі негізгі бағытының бірі. Реакторлардағы синтез реакциялары әдетте деутерий мен тритийдің жеңіл атом ядроларын альфа бөлшегі (гелий-4 ядросы) және нейтронға біріктіреді, мұнда энергия реакция өнімдерінің кинетикалық энергиясы түрінде босатылады. Ядролар арасындағы электростатикалық итергіш күшті жеңу үшін отынның температурасы жүздеген миллион градусқа дейін болуы керек, онда отын толығымен иондалып, плазмаға айналады. Сонымен қатар, плазманың тығыздығы жеткілікті болуы керек, ал энергия Лаусон критерийінде көрсетілгендей, жеткілікті уақыт бойы реакция аймағында сақталуы керек (үштік өнім). Плазманың жоғары температурасы материалдық ыдыстарды тікелей ұстау үшін пайдалануға мүмкіндік бермейді. Магниттік тұтқындау синтезі зарядталған бөлшектердің физикасын қолданып, күшті магниттік өрістер арқылы плазма бөлшектерін ұстауға тырысады. Токамактар мен стеллараторлар – бүгінгі таңда MCF құрылғысының екі негізгі үміткері. Плазманы шектеу үшін әртүрлі магниттік конфигурацияларды зерттеу 1950 жылдары басталды. Алғашқы қарапайым айналы және тороидтық машиналар төменгі тұтқындалудың көңіл көншітпейтін нәтижелерін көрсетті. 1958 жылы АҚШ, Ұлыбритания және КСРО синтез зерттеулерін жариялағаннан кейін, 1968 жылы Курчатов институты тороидтық құрылғылар бойынша маңызды жаңалықты ұсынды, онда оның токамагы 1 килоэлектронвольт (шамамен 11,6 миллион градус Кельвин) температурасын және бірнеше миллисекундтық тұтқындалу уақытын көрсетті, ал Калхам зертханасының келуші мамандары Томсон шашырауы әдісін қолданып оны растады. Содан бері токамактар әлемдік зерттеулердің басым бағытына айналды, JET, TFTR және JT-60 сияқты ірі токамактар құрылып, пайдалануда. Қазіргі кезде салынып жатқан ITER токамақ эксперименті ғылыми жетістіктерді көрсету мақсатымен әлемдегі ең ірі MCF құрылғысы болады. 1950 жылдары төменгі тұтқындалуға ие болған алғашқы стеллараторлар токамактардың алғашқы табысынан көлеңкеде қалғанмен, стеллараторларға деген қызығушылық қайта жанданды, олардың тұрақты күйде жұмыс істеу және бұзылыстарсыз жұмыс істеуге қабілеттілігіне байланысты токамактардан ерекшеленеді. Әлемдегі ең ірі стелларатор эксперименті – Вендельштейн 7 X 2015 жылы жұмысын бастады. MCF құрылғыларындағы термоядролық қуаттың қазіргі рекордтық көрсеткіші JET-ке тиесілі. 1997 жылы JET Q = 0,62 коэффициентімен 16 мегаватттық уақытша синтез қуатын және 4 секунд бойы Q = 0,18 коэффициентімен 4 мегаватттық тұрақты синтез қуатын өндірді. 2021 жылы JET 5 секунд бойы Q = 0,33-ті ұстап, 59 мегаджоуль энергия өндірді, бұл 1997 жылы 4 секунд ішінде өндірілген 21,7 мегаджоуль энергиясын рекордтық көрсеткіштен асып түсті. MCF зерттеулерінің бір қиындығы – плазмалық сценарийлерді электр станцияларының жағдайларына бейімдеу және экстраполяциялау, онда жақсы синтездік өнімділік пен энергияны шектеу сақталуы керек. Дивертордың қуаттылығынан шығатын газды, өткінші құбылыстарды (бұзылыстар, қашып кеткен электрондар, шеткі локальді режимдер), нейтрондық ағынды басқару, тритийді өндіру және плазма физикасы сияқты басқа да проблемаларға қатысты әлеуетті шешімдер белсенді зерттелуде. Плазма диагностикасы, нақты уақыт режимін басқару, плазмамен жанасатын материалдар, жоғары қуатты микротолқын көздері, вакуумдық инженерия, криогеника және жоғары температуралық өткізгіштік магниттерін дамыту MCF зерттеулерінде маңызды рөл атқарады.

Магниттік айналар

Фьюзиялық энергияны зерттеудің алғашқы жылдарында магниттік айна зерттеудің маңызды бағыты болды. Алғашқы айна құрылғыларының көпшілігі плазманы соленоидте жасалған, жазық емес магнит өрісінің фокусына жақын ұстауға тырысты, мұнда түтіктің екі шетінде өріс күші күшейтілген. Плазманы ұстау аймағынан шығу үшін ядролар әрбір магниттің жанындағы тар шеңберлі аймаққа енуі керек еді. Ядролардың осы аймақтан қашып кетуі белгілі болғанмен, отынды үнемі қосып, қыздыру арқылы бұл мәселені шешуге болады деп есептелді. 1954 жылы Эдвард Теллер лекция беріп, плазманың ұстау өрістерінен жылдам қашып кетуі мүмкін екенін көрсететін теориялық мәселені ұсынды. Бұл, айна аймағының ортасында орналасқан дөңгелек магнит өрісіне ие кез келген құрылымда орын алуы мүмкін еді. Қолданыстағы құрылымдар басқа да мәселелерге тап болды және бұл құбылыс орын алып жатыр ма, жоқ па, анық емес еді. 1961 жылы кеңес ғалымдары флейта тәрізді тұрақсыздықтың орын алып жатқанын нақтылады. АҚШ командасы бұл мәселені көрмейтінін мәлімдегенде, кеңес ғалымдары өздерінің экспериментін тексеріп, бұл қарапайым өлшеу қатесінен туындағанын анықтады. Кеңес командасы "Иоффе таяқшалары" деп аталатын ықтимал шешімді ұсынды. Бұл таяқшалар плазманы барлық нүктеде ойыс болатын жаңа пішінге өзгертіп, Теллер көрсеткен мәселенің алдын алды. Бұл ұстаудың айқын жақсарғанын көрсетті. Ұлыбританиялық команда осы магниттердің қарапайым орналасуын енгізді, оны "теннис добы" деп атады, ал АҚШ-та оны "бейсбол" деп атады. Бірнеше "бейсбол" сериялы құрылымдар сынақтан өтті және жақсарған нәтижелер көрсетті. Дегенмен, теориялық есептеулер олардың өндіретін энергия мөлшері магниттерді жұмыс істетуге қажетті энергияға шамамен тең болатынын көрсетті. Нәтижесінде, айналар энергия өндіруге жарамсыз болып көрінді. 1970 жылдары бұл мәселенің шешімі табылды. Үлкен соленоидтың екі басында "бейсбол" катушкаларын орналастыру арқылы, құрылым плазманың әлдеқайда үлкен көлемін ұстап, осылайша көбірек энергия өндіруге мүмкіндік берді. "Тандемдік айна" дизайнындағы үлкен құрылымды салу жоспарлары жасалды, ол Айналысты қосу сынақ орнатылымы (MFTF) деп аталды. Бұрын мұндай конфигурацияны сынап көрмегендіктен, кішірек машина, Тандемдік айна эксперименті (TMX) осы конфигурацияны сынау үшін салынды. TMX MFTF өзінің өнімділік мақсаттарына жете алмайды дегенді көрсететін жаңа мәселелерді көрсетті, сондықтан құрылыс кезінде MFTF MFTF B-ге өзгертілді. Алайда, бюджеттің қысқартылуына байланысты, MFTF құрылысы аяқталғаннан кейін бір күн өткен соң, ол тоқтатылды. Сол кезден бері айналардың дамуы баяулады.

Z-қағып алу

Бақылау термоядролық реакторын құруға жасалған алғашқы нақты әрекет тороид тәрізді ыдыста қысу эффектін пайдаланды. Ыдысты айналдыра орналасқан үлкен трансформатор ішкі плазмада ток тудыру үшін қолданылды. Бұл ток магнит өрісін жасайды, ол плазманы жіңішке сақинаға қысып, оны "қысады". Токтан туындаған Джоуль жылуының және қысылғандағы адиабаттық жылудың үйлесімі плазманың температурасын он миллион градус Кельвинге дейін қажетті деңгейге көтереді. 1948 жылы Ұлыбританияда алғаш құрылып, содан кейін Ұлыбритания мен АҚШ-та үнемі үлкейіп, қуаты артатын машиналар сериясы пайда болды. Барлық алғашқы машиналар плазмадағы күшті тұрақсыздықтарға ұшырады. Олардың ішіндегі ең маңыздысы – бұрылыс тұрақсыздығы, ол қысылған сақинаның қажетті температураға жетпес бұрын ыдыстың қабырғаларына шабуына себеп болды. Дегенмен, бұл тұжырымдама өте қарапайым болғандықтан, осы мәселелерді шешу үшін үлкен күш-жігер жұмсалды. Бұл "тұрақтандырылған қысу" тұжырымдамасына әкелді, ол плазманы қысқанда "арқау беру" үшін сыртқы магниттерді қосты. Мұндай ең ірі машина Ұлыбританияның 1957 жылы аяқталған ZETA реакторы болды, ол термоядролық реакцияны сәтті жүзеге асырғандай көрінді. Бірақ 1958 жылдың қаңтарында жарияланғаннан кейін бірнеше ай өткен соң, плазма массасындағы жаңа тұрақсыздықтар нәтижесінде пайда болған нейтрондар анықталғаннан кейін бұл мәлімдемелер қайтарылып алынды. Одан әрі жүргізілген зерттеулер мұндай конструкциялардың ұқсас проблемаларға тап болатынын көрсетті, ал z-қысу әдісін қолданатын зерттеулер көбінесе тоқтатылды.

Жұлдызшықтар

Магниттік тұтқындау жүйесін құруға жасалған алғашқы әрекеттердің бірі – 1951 жылы Лайман Спитцер ұсынған стелларатор. Негізінде, стелларатор – жартылай кесілген, содан соң тура "көпірлі" бөліктермен қайта қосылған торус, ол 8-дік пішін құрайды. Бұл ядроларды құрылғы орбитасында айналғанда ішкі жағынан сыртқа қарай жылжытып, осі бойындағы дрейфті жояды, әрине, ядролардың орбитасы жеткілікті жылдамдықпен жүрсе. 8-дік пішіндегі алғашқы машиналар салынғаннан кейін көп ұзамай, осы әсерді толық дөңгелек орналасуда екі жағына спиральды оралған магниттер жиынтығын қосу арқылы да қол жеткізуге болатыны байқалды. Бұл орналасқан құрылым плазмаға тек ішінара ғана енетін өріс тудырды, бұл плазмадағы турбуленттілікті басатын "қию" эффектісін қосудың маңызды артықшылығы екенін көрсетті. Алайда, осы үлгідегі үлкен құрылғылар салынғанда, плазма күтілгеннен әлдеқайда жылдам жүйеден шығып бара жатқаны анықталды, оны ауыстыру мүмкін болғаннан да жылдам. 1960 жылдардың ортасына қарай стелларатор тәсілі соқпаққа тірелгендей көрінді. Отын шығынының мәселесіне қоса, осы жүйеге негізделген қуат өндіретін машинаның ұзындығы мың футқа жуық болатыны есептелді. 1968 жылы токамак енгізілгеннен кейін стеллараторға деген қызығушылық мүлдем жойылды, ал Принстон университетінің соңғы үлгісі – C моделі, ақырында симметриялық токамакқа айналдырылды. Стеллараторлар мыңжылдық басынан бері қайта қызығушылық тудырды, себебі олар кейіннен токамақта кездесетін бірнеше мәселелерден сақтады. Жаңа үлгілер салынды, бірақ олар соңғы токамак үлгілерінен шамамен екі буынға қалып қойды.

Токамактар

1950 жылдардың соңында советтік зерттеушілер жол бойындағы бұрылыстар бөлменің ішкі шеңберін бөлменің ұзындығынан гөрі жылдам араласатын болса, бұрылыс тұрақсыздығы күрт төмендейтінін байқады. Бұл үшін қысым тогын азайту және сыртқы тұрақтандыру магниттерін күшейте түсу қажет болды. 1968 жылы тороидтік токамақ бойынша ресейлік зерттеулер алғаш рет көпшілік назарына ұсынылды, нәтижелері кез келген бәсекелес жобадан – магниттік немесе басқа – одан әлдеқайда жоғары болды. Осыдан бері магниттік тұтқынға алу жөніндегі жұмыстың басым бөлігі токамақ принципіне негізделген. Токамақта ток плазма арқылы мерзімік түрде жіберіледі, бұл тороидтің "айналасында" өріс құрады, ол тороидтік өріспен бірігіп, белгілі бір жағдайларда қазіргі заманғы стелларатордағыдай, ядролар құрылғының ішкі жағынан сыртқы жағына ағып жатқанда, оралма өріс тудырады. 1991 жылы START Ұлыбританияның Калхэм қаласында шар тәрізді токамақ ретінде салынды. Бұл, негізінен, орталық стерженьі бар сферамақ болды. START әсерлі нәтижелер көрсетті, β шамасы шамамен 40% құрады, бұл сол кездегі стандартты токамақтардан үш есе жоғары көрсеткіш. Бұл концепция жоғары плазма тогына және үлкен өлшемдерге дейін кеңейтілді, қазіргі уақытта NSTX (АҚШ), MAST (Ұлыбритания) және Globus M (Ресей) эксперименттері жүргізілуде. Шар тәрізді токамақтар дәстүрлі токамақтармен салыстырғанда жақсырақ тұрақтылық қасиеттеріне ие, сондықтан бұл салаға едәуір тәжірибелік назар аударылуда. Дегенмен, шар тәрізді токамақтардың тороидтік өрісі әлі де төмен деңгейде, сондықтан олар синтездік нейтрондық құрылғылар үшін тиімді емес.

Тороидтар

Компактты тороидтар, мысалы, сферамақ және кері өріс конфигурациясы, жабық магниттік беттер конфигурацияларының жақсы ұстау қабілетін орталық ядросы жоқ машиналардың қарапайымдылығымен үйлестіруге тырысады. 1970 жылдары осы типтегі алғашқы тәжірибе – Трисопс болды. (Трисопс бір-біріне қарай екі тета-пинг сақинасын атып жіберді.)

Магниттік синтез энергиясы

Бұл құрылғылардың барлығы да масштабтау кезінде және Лоусон критерийіне жақындауда елеулі қиындықтарға тап болды. Бір зерттеуші магниттік тұтқындау мәселесін қарапайым тілмен түсіндіріп, оны шарды сығумен салыстырды – ауа әрқашан басқа жерден "сыртқа шығуға" тырысады. Плазмадағы турбуленттілік үлкен мәселе болып табылады, ол плазманың тұтқындау аймағынан шығып кетуіне және ыдыстың қабырғаларына тиюіне себеп болады. Егер мұндай жағдай туындаса, "спуттеринг" деп аталатын процесте ыдыстың ішіндегі ауыр бөлшектер (көбінесе болат және басқа металдар) синтез отынымен араласып, оның температурасын төмендетеді. 1997 жылы Ұлыбританиядағы Joint European Torus (JET) нысанындағы ғалымдар 16 мегаватт термоядролық қуат өндірді. Ғалымдар енді плазма турбуленттілігін және одан туындайтын энергияның жоғалуын бақылай алады, бұл плазманың қасиетінің өте қиын және еңбегі кеткен ерекшелігі деп есептелген. Плазманың ыдырауына себеп болатын қысымды, электр станциясы үшін қабылданатын синтез реакциясының қарқынын сақтауға жеткілікті деңгейге көтеруге мүмкіндік бар деген үміт артып келеді. Электромагниттік толқындарды плазма бөлшектерінің жолын өзгерту үшін және плазманы шектейтін магниттік өрістерді жасауға қажетті үлкен электр тогын тудыру үшін енгізуге және бағыттауға болады. Осы және басқа да басқару мүмкіндіктері плазма ғылымының негізгі түсініктеріндегі, мысалы плазма турбуленттілігі, плазманың макроскопиялық тұрақтылығы және плазма толқындарының таралуы сияқты салалардағы жетістіктердің нәтижесінде пайда болды. Бұл прогрестің көп бөлігі токамаққа ерекше назар аудару арқылы қол жеткізілді.

Соңғы өзгерістер

SPARC - деутерий-тритий (DT) отыны қолданатын токамак, қазіргі уақытта MIT Плазмалық ғылым және синтез орталығында Commonwealth Fusion Systems компаниясымен бірлесіп, жақын болашақта практикалық реактор дизайнын жасау мақсатымен әзірленуде. 2020 жылдың соңында Плазма физикасы журналының арнайы саны жарық көрді, онда реактордың жұмыс істеуі мен қуаты туралы болжамды растау үшін симуляцияларды қолдануға бағытталған реактордың жобалау тиімділігіне жоғары сенімділік деңгейін көрсететін жеті зерттеу бар. Бір зерттеу реактордағы магнитогидродинамикалық (МГД) жағдайларды модельдеуге бағытталған. Бұл жағдайдың тұрақтылығы магнит өрісінің әртүрлі қысымы кезінде қол жеткізілетін плазма қысымының шектерін анықтайды. SPARC-пен қол жеткізілген жетістіктер ITER жобасындағы бұрын айтылған жұмыстың арқасында жасалды және жоғары температуралы суперөткізгіштерде (HTS) жаңа технологияны неғұрлым практикалық материал ретінде пайдалануды мақсат етеді. HTS реактор магниттеріне магнит өрісін ұлғайтуға және энергия өндіру үшін қажетті тасымалдау процестерін тепе-тең арттыруға мүмкіндік береді. Материалдың ең үлкен мәселелерінің бірі - ішкі қабырғаның пайда болатын жылудың үлкен мөлшерін (плазмадан жылу ағыны шаршы метріне 10 ГВт-қа жуық болады деп күтілуде) ұстай алатынына көз жеткізу. Бұл материал тек аман қалуы ғана емес, сонымен қатар ядролық плазманы ластамау үшін зақымдануға төтеп беруі керек. Мұндай қиындықтар белсенді түрде қарастырылып, жобалау процесінде пайдаланылатын модельдер мен болжамды есептеулерде есепке алынады. DIII D ұлттық синтез қондырғысында болашақ синтез реакторларында өзекті интеграциялау мәселесін шешуде алға басулар орын алды. Жанып жатқан синтез плазмасы үшін реактор қабырғаларына зақым келтірмей, плазмалық ядроны Күннің бетінен ыстық ұстап тұру өте маңызды. Плазмалық бөлшектерден ауыр заттарды плазмалық және қуатты шығару аймағына (дивертор) енгізу плазмалық шекараны суыту үшін өте маңызды, термоядролық өнімділікке әсер етпей. Кәдімгі эксперименттерде газ тәрізді қоспалар пайдаланылды, бірақ бор, бор нитриді және литийді ұнтақ түрінде инъекциялау да сыналды. Тәжірибелер плазманың шекарасын тиімді салқындатуды жоғары тұтқындау режиміндегі плазманың жұмыс істеуіне минималды әсер етумен көрсетті. Бұл әдіс ITER сияқты ірі термоядролық қондырғыларға қолданылуы мүмкін және болашақ термоядролық электр станцияларында ядролық жиекті интеграциялауға ықпал етуі мүмкін. Соңғы тәжірибелер бұзылуларды болжау, ELM бақылау және материалдардың көші-қоны саласында да жетістіктерге қол жеткізді. Бағдарлама токамақ жұмысын оңтайландыру үшін қосымша құралдарды орнатып, шеткі плазма мен материалдардың өзара әрекеттесуін зерттейді. Келешектегі синтез реакторларының өнімділігі мен икемділігін арттыру үшін күрделі жаңартулар қарастырылуда. Германиядағы Макс Планк плазма физикасы институтының Вендельштейн 7 X жылдызшасы алғашқы плазмалық кампанияларын аяқтады және 8000-нан астам графитті қабырға плиткалары мен он дивертор модульдерін орнатуды қоса алғанда, плазманың ұзақ уақытқа созылуын қамтамасыз ету үшін жаңартудан өтті. Эксперименттерде Вендельштейн 7 X оптималданған концепциясы электр стансасында пайдалану үшін потенциалдық пайдалану үшін звездогонный синтез құрылғысы ретінде сыналады. Арал диверторы плазманың тазалығы мен тығыздығын реттеуде маңызды рөл атқарады. Wendelstein 7 X плазма турбуленттілігін және магниттік оқшаулау мен жылу оқшаулаудың тиімділігін зерттеуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, микротолқынды қыздыру жүйесі де жақсартылды. Бұл жетістіктер стеллараторлардың үздіксіз термоядролық энергия өндіруге жарамдылығын көрсетуге бағытталған. TAE Technologies компаниясы 2022 жылы магниттік түрде шектелген плазмада сутек-боронды синтездеу бойынша алғашқы тәжірибелерді жүргізу арқылы маңызды ғылыми жетістікке жетті. Тәжірибелер Жапонияның Ұлттық синтездік ғылым институтымен бірлесіп, Принстонның плазмалық физика зертханасының ғалымдары мен инженерлері жасаған борон ұнтағын инъекциялау жүйесін қолдана отырып жүргізілді. TAE-дің сутек-бор синтезіне ұмтылуы синтез қуаты үшін таза, бәсекеге қабілетті және тұрақты отын циклін әзірлеуге бағытталған. Нәтижелер сутек-бор отын қоспасының пайдалы масштабтағы термоядролық энергияда пайдалану мүмкіндігі бар екенін көрсетеді. TAE Technologies 2030 жылдардың ортасына қарай таза электр энергиясын өндіретін синтетикалық электр стансасын дамытуға бағытталған. Жеке АҚШ ядролық синтез компаниясы Helion Energy Microsoft компаниясымен шамамен бес жылда электр энергиясын жеткізу туралы келісімге келді, бұл синтез қуаты үшін алғашқы келісім. Helion компаниясының 2028 жылға қарай іске қосылатын зауыты 50 мегаватттан астам қуат өндіруді жоспарлап отыр. Компания гелий-3, сирек газды отын көзі ретінде пайдалануды жоспарлап отыр. Kronos Fusion Energy ұлттық қорғаныс үшін таза және шексіз қуат беруге арналған анейтрондық синтез энергиясын өндірушінің әзірленуін жариялады. 2023 жылдың мамырында АҚШ Энергетика департаменті (DOE) синтез электр станцияларын жобалау және зерттеуді дамыту үшін жеті штат бойынша сегіз компанияға 46 миллион долларлық грант берді, АҚШ-ты таза синтез энергиясы саласындағы көшбасшы ретінде орнатуды мақсат етеді. Milestone Based Fusion Development Program бағдарламасынан түскен қаржы 10 жыл ішінде пилоттық синтезді демонстрациялау және 2050 жылға қарай көміртектік-бейтарап экономикаға қол жеткізу мақсатын қолдайды. Грант алғандардың арасында Commonwealth Fusion Systems, Focused Energy Inc., Princeton Stellarators Inc., Realta Fusion Inc., Tokamak Energy Inc., Type One Energy Group, Xcimer Energy Inc. және Zap Energy Inc. компаниялары бар.