Розвиток термоядерної енергетики в Німеччині

У Німеччині 10 грудня 2015 року успішно запущений термоядерний реактор Wendelstein 7-X, в якому утримання плазми відбувається за принципом стеларатора. На проект вартістю понад мільярд євро німці покладають великі надії. Як і фізики, які пов'язують майбутнє енергетики з керованим термоядерним синтезом.Зростання населення Землі, вичерпання природних ресурсів і забруднення навколишнього середовища - все це призводить до необхідності використовувати альтернативні джерела енергії. Керований термоядерний синтез в цьому випадку є святим Граалем енергетики, оскільки паливом для нього є важка вода, що містить ізотопи водню - дейтерій і тритій. До слова, в Україні є теж великі промислові запаси важкої води. 
При використанні дейтерію, що міститься в пляшці води, виділиться стільки ж енергії, скільки при спалюванні бочки бензину: калорійність термоядерного палива в мільйон разів вище будь-якого з сучасних неядерних джерел енергії. При цьому навколишньому середовищу буде завдано мінімальної шкоди, а паливо для термоядерної електростанції доступно всім без винятку країнам. В термоядерних реакторах відбуваються реакції синтезу важких елементів з легких (утворення гелію в результаті злиття дейтерію і тритію), на відміну від звичайних (ядерних) реакторів, де ініціюються процеси розпаду важких ядер на більш легкі. Сьогодні в світі існують два перспективні проекти термоядерних реакторів: токамак (тороїдальна камера з магнітними котушками) і стелларатор. В обох установках плазма утримується магнітним полем, але в токамаку вона має форму тороїдального шнура, по якому пропускається електричний струм, а в стелараторі магнітне поле наводиться зовнішніми котушками. Останнє є головною відмінністю стеларатора від токамака і обумовлює складну конфігурацію в ньому магнітного поля. У стелараторі магнітні поверхні, які утримують плазму в стані рівноваги, створюються складною системою зовнішніх провідників на вакуумній камері (всередині якої і знаходиться паливо), через що кінцева форма плазмового шнура так далека від ідеальної тороїдальної форми. Тим часом в токамаку утримання плазми відбувається завдяки магнітному полю від вихрового електричного поля. Це означає, що токамак може працювати (без допоміжних пристроїв) виключно в імпульсному режимі, тоді як стелларатор здатний протягом тривалого часу працювати в безперервному (стаціонарному) режимі. Конструкцію стеларатора вперше запропонував в 1951 році американський фізик Лайман Спітцер. Свою назву реактор отримав від латинського stella - зірка, оскільки всередині реактора температура порівнянна з тією, яка досягається всередині ядра Сонця. Спочатку стелларатор вважався найпопулярнішим кандидатом для термоядерного реактора, однак згодом його потіснила концепція токамака, запропонована в 1951 (і розсекречена в 1956 році) радянськими фізиками Андрієм Сахаровим і Ігорем Таммом. Термоядерний реактор з СРСР був простіше і дешевше стеларатора. Багато в чому це пов'язано з необхідністю високоточних розрахунків конфігурації магнітних полів для стеларатора, які для Wendelstein 7-X були зроблені на суперкомп'ютері, а також обмеженістю матеріалів для будівництва установки. Суперечки про те, що краще - стелларатор або токамак, - не вщухають досі, а з'ясування того, хто в чому має рацію, обходиться платникам податків в сотні мільйонів доларів. У Німеччині введено в дію саме стелларатор. Установка Wendelstein 7-X знаходиться в німецькому Інституті фізики плазми Товариства імені Макса Планка в місті Грайфсвальд. Реактор складається з 50 надпровідних ніобій-титанових котушок близько 3,5 метрів у висоту і загальною вагою близько 425 тонн, здатних створювати магнітне поле індукцією три тесла, утримувати плазму з температурою 60-130 мільйонів градусів Цельсія (це в кілька разів вище, ніж температура в центрі сонячного ядра). Великий радіус плазми дорівнює 5,5 метра, малий радіус - 0,53 метра. Обсяг плазми може досягати 30 кубічних метрів, а її щільність - три на десять в двадцятій ступені частинок на кубічний метр. Вся конструкція оточена кріостатом (міцною теплоізолюючою оболонкою) діаметром 16 метрів. Перераховані параметри роблять Wendelstein 7-X найпотужнішим стеларатором в світі. Його найближчий конкурент - LHD (Large Helical Device) - розташований в японському місті Токи. Крім перерахованих, стелараторні можливості є і в інших країнах, зокрема в Австралії та в Україні. Зелене світло на зведення Wendelstein 7-X уряд Німеччини дав в 1993 році, в наступному році в Грайфсвальді була створена філія Інституту фізики плазми, куди перейшли працювати 50 співробітників головної установи з Гархинга. В даний час над Wendelstein 7-X працюють понад 400 осіб. У травні 2014 року Інститут фізики плазми відзвітував про завершення будівництва стеларатора, після чого провів необхідні пусконалагоджувальні роботи і дочекався згоди національного регулятора на запуск. На відміну від токамаків, стеларатори є темними конячками - з ними проводилося менше експериментів, а отримані останнім часом результати обнадіюють. У тому випадку якщо установка Wendelstein 7-X виправдає покладені на неї надії, фізики зроблять висновки про можливість використання стелараторів як термоядерних електростанцій майбутнього. Так чи інакше, ясно одне: отримання практично невичерпного джерела енергії вимагає не тільки взаємодії міжнародного співтовариства вчених і держав світу та залучення величезних фінансових коштів, а й завидного терпіння і впевненості в успішності проекту. Всього цього хочеться побажати німецьким дослідникам.

Олег Дружів