Американский стартап Terra Fusion пытается вернуть в большую термоядерную гонку магнитные зеркала, технологию удержания плазмы, которую почти полвека назад оттеснили токамаки. Экспериментальная установка CMFX уже получила термоядерные нейтроны и показала, что быстрое вращение плазмы действительно помогает удерживать и нагревать её, хотя до энергетического баланса системе всё ещё далеко.
Магнитное зеркало устроено проще привычного токамака. Вместо кольцевой камеры плазму помещают в длинную вакуумную трубу, а сильные магнитные поля на концах заставляют заряженные частицы разворачиваться обратно. Главная проблема такого подхода давно известна: часть частиц всё равно уходит через торцы, а сама плазма легко становится неустойчивой.
Terra Fusion добавляет к старой схеме второй механизм. Центральный электрод создаёт электрическое поле, которое вместе с магнитным заставляет дейтериевую плазму вращаться вокруг оси со скоростью до 1500 км/с. Центробежная сила мешает частицам уходить к концам камеры, а сдвиг скоростей подавляет одну из характерных неустойчивостей. Одновременно вращение нагревает плазму.
Исследователи измерили в CMFX пиковую скорость рождения примерно 8,4 млн нейтронов в секунду. Расчёты по экспериментальным данным дали тройное произведение, то есть сочетание плотности, температуры и времени удержания плазмы, около 1,9 × 1017 м-3 кэВ·с. Именно сочетание трёх параметров определяет, насколько установка приблизилась к условиям, пригодным для энергетического термоядерного синтеза.
Пока запас остаётся огромным. По оценке разработчиков, установка достигла примерно десятой части необходимого уровня отдельно по температуре, плотности и времени удержания. При перемножении параметров разрыв с целевым режимом получается примерно тысячекратным, поэтому нынешний эксперимент нельзя считать демонстрацией энергетически выгодного термоядерного реактора.
CMFX при этом построили необычно дёшево для термоядерной физики. Два главных сверхпроводящих магнита раньше стояли в медицинских томографах Philips и создают поле до 3 Тл. Разработчики сняли ненужные части сканеров и приспособили магниты для вакуумной камеры. В конструкции использовали и другие повторно применённые компоненты, включая переделанные стеклянные бутылки в качестве электрических изоляторов.
Размер магнитов от томографов заставил изменить первоначальный проект, но большой диаметр камеры неожиданно упростил борьбу с примесями в плазме. При максимальных режимах температура достигала примерно 10 млн К. Система питания центрального электрода рассчитана на напряжение до 100 кВ и мощность 100 кВт, а экспериментальные разряды удавалось поддерживать в стабильном состоянии несколько секунд.
Магнитные зеркала когда-то считались одним из главных путей к управляемому термоядерному синтезу. Особенно активно направление развивали в 1970-х и первой половине 1980-х годов. Кульминацией стала установка MFTF-B длиной 58 метров, строительство которой стоило $372 млн. Проект закрыли в 1986 году практически сразу после завершения строительства, не проведя запланированные эксперименты. Финансирование исследований магнитных зеркал резко сократилось, а основное внимание переключилось на токамаки.
Вернуться к старой идее позволили более сильные сверхпроводящие магниты, новые методы моделирования плазмы и способы подавления неустойчивостей. Terra Fusion делает ставку именно на быстрое вращение. Другие разработчики магнитных зеркал используют более мощное поле, чтобы сильнее запирать частицы и меньше зависеть от центрального электрода.
У подхода Terra Fusion остаётся серьёзная инженерная проблема. Электрод проходит через область горячей плазмы и в будущем энергетическом реакторе должен выдерживать сильный нагрев и поток нейтронов. Конкуренты считают такой элемент потенциально уязвимым, а сама Terra Fusion среди основных нерешённых задач называет повышение плотности плазмы без потери устойчивости, износ материалов, отвод тепла и масштабирование сверхпроводящих магнитов.
Следующий аппарат Terra Fusion, TFEC-1, должен получить магниты с полем 10 Тл и центральный проводник, работающий при напряжении примерно в десять раз выше, чем в CMFX. Компания рассчитывает приблизить установку к научному энергетическому балансу к 2029 году. Такой срок остаётся планом разработчиков, а не подтверждённым прогнозом.
В более дальней перспективе Terra Fusion рассчитывает строить модульные реакторы мощностью до 100 МВт для электросетей, промышленности и других потребителей. До появления коммерческой станции компании предстоит показать, что магнитное зеркало сохраняет устойчивость при гораздо более высокой плотности и температуре плазмы, выдерживает длительную работу и способно производить больше энергии, чем требуется для поддержания реакции.
