Предыстория

Первые шаги по созданию токамаков (это название появилось много позже) предприняли еще в середине прошлого века. Сам термин был предложен советским физиком Игорем Головиным. Первоначально он звучал иначе: «токамаг» как сокращение от «тороидальная камера магнитная», однако позже советский физик Натан Явлинский предложил вариант «токамак» как более благозвучный. Термин прижился и перекочевал в остальные языки.

Токамаки, в отличие от электростанций на ископаемом топливе, используют энергию синтеза, абсорбируемую в виде тепла стенками устройства, для нагрева и производства пара, а он уже «крутит» турбины.

Ядерные реакторы, как альтернатива, используют десятки тонн радиоактивного топлива, которое после выработки превращается в радиоактивные отходы того же объема. Токамакам не требуется так много «топлива»: достаточно немного трития и дейтерия — сотни граммов в действующей системе, однако при испытаниях обычно используют на пару порядков меньше. Оба элемента имеются в запасе или чрезвычайно просты с учетом всех переменных в получении или добыче. Побочный продукт реакции — безвредный гелий-4. И наконец, в случае неполадок термоядерная реакция прекращается, не вызывая далеко идущих последствий для окружающей среды и персонала.

Но, даже по оптимистичным прогнозам, образцы реакторов нового класса, способные поставить добычу энергии на коммерческие рельсы, появятся не ранее 2050 года.

А что Китай?

Экспериментальные токамаки строят по всему миру и давно: свои были в СССР, есть такие в США и ряде европейских стран, установок насчитывается более сотни (более 160, если принимать в расчет не только функционирующие, но еще проектируемые или запланированные к постройке). Кроме того, реализуется глобальная международная инициатива — термоядерный реактор ITER, запуск которого запланирован на 2034—2035 годы.

Китай, как и некоторые другие страны, ведет свой проект. Здесь есть свой сверхпроводящий экспериментальный токамак EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak), который регулярно появляется в новостях, ставя рекорды: в январе 2025 года EAST, например, непрерывно удерживал плазму в течение 1066 секунд (более 17 минут).

На самом деле EAST стал продолжением HT-7 — первого китайского токамака, построенного еще в 90-х годах прошлого века. Кроме того, в 2003 году Китай присоединился к инициативе ITER, в рамках которой и появился модернизированный термоядерный реактор: в 2006 году началась первая фаза его ввода в эксплуатацию. В том же 2006 году провели первый запуск нового реактора на EAST: он работал три секунды и давал ток в 200 килоампер.

---

Конструкция

Распространение получила тороидальная форма вакуумной камеры — то есть напоминающая бублик. В этой камере и возникает плазма, температура которой может достигать сотен миллионов градусов по Цельсию. Никакой материал не способ выдержать подобные нагрузки (в Солнечном ядре — «всего» 15 млн градусов), поэтому для удержания ионизированного газа и придания «облаку» нужной формы используют мощные сверхпроводящие магниты.

Чтобы жар не прорвался наружу, а магниты не утратили свои свойства, в токамаке установлен криостат — массивная система охлаждения. Изолятором выступают так называемые бланкеты, которые улавливают и тормозят высокоэнергичные нейтроны, нагреваются, а тепло отводится. Они не пропускают «наружу» и другие типы излучения. Также тепло отводит дивертор, он же удаляет примеси, возникшие как продукт термоядерной реакции.

Для реакции необходима безвоздушная среда и тритий с дейтерием, а также нагрев. При высокой температуре газ переходит в состояние плазмы, которая удерживается магнитами. Чтобы реакция считалась эффективной, плазму необходимо нагреть до температуры 150 млн градусов — начнется реакция синтеза и выделение огромного количества тепловой энергии. Вода в стенках тороида нагревается, испаряется, и пар раскручивает турбины: они вырабатывают электричество.

Это было очень упрощенное описание «внутренностей» токамака.

---

В 2007 году агентство «Синьхуа» в одной из публикаций упомянуло слабую сторону токамаков: предполагалось, что энергозатраты на поддержание работы (в первую очередь, нагрев) реактора будут выше, чем объем энергии на выходе. Судя по той же публикации, EAST все же стал первым реактором, которому удалось выйти на условную «безубыточность»: утверждалось, что соотношение затрат энергии к ее производству может достигать 1:1,25, а в будущем — 1:50. Управляющий EAST тогда же прямо заявил, что их токамак доказал свою эффективность.

Как EAST, так и другие подобные системы пока далеки от коммерческого использования, это экспериментальные установки и прототипы, медленно продвигающиеся к реализации цели — получению дешевой и безопасной энергии в огромных количествах.

Однако для этого необходимо решить «простые» задачи: добиться в полностью контролируемых условиях бесперебойного и длительного времени работы на сверхвысоких температурах плазмы, так как требуемая реакция синтеза начинается на 150 млн градусов, что упоминалось выше. Интересно, что есть и верхний предел — до 300 млн градусов.

EAST продвигается в этом направлении: в 2018 году инженеры добились температуры в 100 млн градусов, спустя примерно три года — 120 млн в течение чуть более полутора минут. Однако, судя по публикуемым данным, ученые не стремятся достичь сразу двух показателей: длительного времени и высокой температуры, постепенно «подкручивая» то один, то другой параметр, реактор также использует разные режимы работы.

Нет, EAST не единственный реактор, на котором получают выдающиеся показатели, однако он считается одним из наиболее перспективных, так как нередко становится первым в достижении новых вех. В январе 2025 года достигнутые 1066 секунд работы ученые назвали не иначе как важнейшим шагом в исследованиях в области термоядерного синтеза. Судя по всему, и внутри Китая отношение к проекту с годами изменилось: то, что начиналось как «проба пера» и «прототип для ITER» с небольшими по меркам страны инвестициями, сегодня ценится в разы выше.

«Они чрезвычайно серьезно настроены», — заявила как-то глава мониторинговой организации Fusion Energy Insights Мелани Уиндридж, комментируя спутниковые снимки сооружений исследовательского комплекса термоядерных реакций неподалеку от китайского города Мяньян. Комплекс, писало CNN, может указывать на действительно высокую заинтересованность Китая в развитии темы «футуристичного источника энергии».

«Они полны решимости, действуют быстро и добиваются результатов», — добавила Уиндридж. Отмечается также, что новый исследовательский центр огромен и, скорее всего, сейчас является крупнейшим в мире. Причем его размеры указывают и на вероятность получения технологического преимущества: размеры, предположительно, шахт для лазерных установок означают и возможность добиться увеличения их мощности для реакций синтеза.

Аналогичного мнения придерживается и гендиректор Fusion Industry Association Эндрю Холланд, по словам которого технология может оказаться «более мощной, чем что-либо, созданное в западных странах (и это вызывает опасения)».

Если рассуждать оптимистично, очередное достижение EAST доказывает, пусть и не со 100%-й вероятностью, возможность создания коммерческих образцов реакторов нового типа в не столь отдаленном будущем. Правда, остается еще приладить к токамаку паровые турбины для реальной выработки энергии.

Опасен ли китайский токамак (и любой другой)?

Не более, чем Большой адронный коллайдер, от которого ожидали создания черной дыры, способной поглотить Землю. Напротив, это один из самых безопасных способов получения энергии, подобной той, что генерирует Солнце. Достижения EAST в Китае, в свою очередь, подталкивают другие страны вести интенсивную разработку технологии: американские ученые прямо заявляют, что играть в догонялки в этом случае не стоит. И кажется, что размер инвестиций мало кого волнует: напоминает космическую гонку прошлого, когда просто оказаться «первым» означало преимущество.

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onlíner без разрешения редакции запрещена. ga@onliner.by