Магнитное удерживание
Несколько десятилетий исследований в области термоядерного синтеза привели к достижениям двух типов. Во-первых, дисциплина физики плазмы развилась до такой степени, что теоретические и экспериментальные инструменты позволяют количественно оценить многие аспекты концепций термоядерных реакторов. Во-вторых, и это, возможно, наиболее показательно, эволюционное улучшение параметров плазмы привело к тому, что эксперименты оказались на пороге энергетической безубыточности, когда энергия, вводимая в плазму, равна полученной энергии термоядерного синтеза.
Эксперименты по термоядерному синтезу в большинстве случаев проводятся с водородной или дейтериевой плазмой. В течение многих лет радиоактивный тритий не добавляли, поскольку требования к дистанционному обращению с ним усложняли эксперименты. Однако в 1991 году была проведена первая тритий-дейтериевая реакция. Она длилась две секунды и высвободила рекордное количество энергии, примерно в 20 раз больше, чем в дейтериево-дейтериевых экспериментах.
Показателем, по которому можно судить о качестве плазмы, является прирост энергии Q, который произошел бы, если бы плазма содержала тритий. С 1965 по 1995 год Q увеличился с 10-7 до 1 (безубыточность).
Для изучения многих аспектов проблемы термоядерного синтеза был проведен целый ряд экспериментов с плазмой. Показатели, наиболее близкие к уровню практического термоядерного реактора, были достигнуты в трех флагманских экспериментах в Европе, Японии и США. Эти крупные установки токамак — Объединенный европейский торус (JET), многонациональное западноевропейское предприятие, работающее в Англии; Токамак-60 (JT-60) Японского исследовательского института атомной энергии; и испытательный термоядерный реактор Токамак (TFTR) в Принстонской лаборатории физики плазмы в Нью-Джерси, соответственно.
В 1994 году была достигнута важная веха, когда TFTR произвел 10 мегаватт термоядерной энергии. До этого времени почти все термоядерные эксперименты проводились на водородной или дейтериевой плазме. Топливом для TFTR служила смесь дейтерия и трития. Эксперименты со сливающимися плазмами крайне важны для определения влияния реакций синтеза (и производимых ими высокоэнергетических альфа-частиц) на поведение плазмы. В 1997 году JET выработал 16 мегаватт пиковой мощности при коэффициенте усиления термоядерного синтеза (отношение произведенной термоядерной мощности к чистой входной мощности) 0,6.
Следующим важным шагом в развитии термоядерной энергетики является создание установки для изучения физики горящей, подожженной плазмы (с бесконечным Q). Присутствие альфа-частиц может изменить поведение плазмы таким образом, что его нелегко смоделировать в не горящей плазме. Предполагается, что это произойдет в планируемом новом эксперименте — Международном термоядерном экспериментальном реакторе (ITER), который будет построен в Кадараше, Франция. Это очень крупный эксперимент, который будет исследовать как физику зажигаемой плазмы, так и технологию реактора. Большая стоимость устройства способствовала международному сотрудничеству в его разработке и финансировании, в котором приняли участие Европейский союз, Япония, Китай, Индия, Южная Корея, Россия и США.
С огромным прогрессом в научном понимании и качестве плазмы все больше внимания уделяется вопросам инженерной и экономической привлекательности концепции токамака. Требуется разработка материалов. Например, стенка, подвергающаяся воздействию плазмы, должна выдерживать интенсивную нейтронную бомбардировку. Оптимальный путь к производству термоядерной энергии предполагает определенный баланс между дальнейшим расширением текущей концепции токамака до параметров реактора и совершенствованием концепции магнитного удержания. Улучшения могут быть достигнуты за счет углубления научного понимания в ходе исследований и разработки альтернативных концепций, не связанных с токамаком, а также за счет усовершенствования токамака. Важным направлением исследований в области токамаков является разработка более компактных токамаков с более высоким давлением плазмы. Ожидается, что такие усовершенствованные токамаки будут более экономичными.
