Commonwealth Fusion обясни защо термоядреният ѝ реактор ще започне да работи преди всички останали

По отношение на пускането в експлоатация на първия в света самоподдържащ се термоядрен реактор все още има много неизвестни. Във Франция се изгражда мегапроектът ITER, в Китай създават експериментални токамаци, а десетки стартъпи обещават чудеса и сключват договори за милиарди с гигантските технологични компании. Но едва ли днес някой може да каже със сигурност кой ще бъде първи в тази надпревара за управляема термоядрена енергия. Всички искат да бъдат първи, включително компанията Commonwealth Fusion Systems.

Наскоро Commonwealth Fusion Systems, израснала от спин-оф на Масачузетския технологичен институт публикува в списанието Journal of Plasma Physics пет рецензирани статии, посветени на физическото обосноваване на собствения си проект за термоядрена електроцентрала ARC. В подробните статии (по около 40 страници текст с формули във всяка) са описани изчисленията, моделите и ключовите инженерно-физически решения на бъдещия реактор.

Реакторът и електроцентралата ARC трябва да станат следващата стъпка след създаването на демонстрационния токамак SPARC, който се строи като компактна инсталация с мощни магнити на високотемпературни свръхпроводници. Системата SPARC е готова на 70% и след пускането ѝ в експлоатация веднага ще започне строителството на системата ARC, за да стане термоядрената енергия от CFS обективна реалност до 2035 година.

Платформата ARC ще работи на базата на реакция между дейтерий и тритий – тежки изотопи на водорода. В резултат на синтеза се образуват ядро на хелий, неутрон и се отделя енергия.

Хелият частично поддържа нагряването на плазмата, но след това се превръща в „пепел“, която трябва да се отстранява от реактора. Неутроните и лъчението ще нагряват слоя от разтопена сол около камерата. Тази сол съдържа и литий, от който под действието на неутроните трябва да се образува нов тритий за захранване на реактора. Според настоящия проект ARC трябва да произвежда около 1,13 GW термоядрена мощност, от които приблизително 500 MW ще могат да бъдат преобразувани в електроенергия. След приспадане на енергията за собствените нужди на станцията в мрежата ще постъпват около 400 MW.

Работата на реактора ще бъде циклична: 15 минути термоядрени реакции ще се редуват с приблизително минутни паузи за рестартиране на системата и нейното бързо почистване. Благодарение на топлинната инерция системата ще продължава да произвежда електроенергия без резки спадове. За тази цел ще бъде реализирана класическа схема с парна турбина: разтопените соли ще кипят под формата на вода, а нейната пара ще задвижва турбината на генератора.

Един от основните проблеми остава стабилността на плазмата: нестабилността на магнитните полета може да доведе до загуба на задържането на плазмата и повреда на вътрешните стени. За защита на вътрешните повърхности на работната камера се планира да се използва волфрам, а за отстраняване на излишната топлина, хелиевата „пепел“ и примесите – дивертор, с помощта на който част от веществото ще се извежда от зоната на задържане по време на работния цикъл на реактора. Освен това ARC се проектира със сменяема вакуумна камера, която ще трябва да се сменя на всеки един–два години. За удобство при техническото обслужване работната камера ще бъде разделена на две части, което изглежда доста сложно инженерно решение.

Разработчиците от Commonwealth Fusion Systems не крият, че част от техническите проблеми все още не са решени и ще бъдат проверени по време на изпитанията на прототипа на реактора SPARC. Впрочем, реакторът SPARC не предвижда отвод на топлина и извличане на мощност, така че ARC също ще стане пионер в редица приложни въпроси, свързани с експлоатацията на термоядрен реактор. Физическото обосноваване на проекта, предложено на научната общност, дава надежда, че проектът ще бъде реализиран в обозримо бъдеще, а не през 2040-те години или по-късно, което, по всяка вероятност, очаква ITER и не само него.