Joint European Torus

Joint European Torus (JET) — крупнейший действующий экспериментальный термоядерный реактор типа токамак, расположенный в Калхэме (Великобритания). Проект был запущен в 1983 году и является совместным предприятием стран Европейского союза (включая Великобританию, Швейцарию и Украину в разное время). JET служит ключевым звеном в программе международного термоядерного экспериментального реактора (ITER) и предназначен для изучения физики плазмы, отработки технологий управляемого термоядерного синтеза и достижения рекордных параметров удержания плазмы.

История

Предпосылки создания

Идея создания единого европейского термоядерного реактора возникла в 1970-х годах на фоне успехов советских токамаков (Т-3, Т-10) и необходимости масштабирования экспериментов. В 1973 году Европейское сообщество по атомной энергии (Евратом) инициировало проект JET. В 1977 году было выбрано место — Калхэмский центр термоядерной энергии (Culham Centre for Fusion Energy, ранее — лаборатория Калхэм). Строительство началось в 1978 году, а первая плазма была получена 25 июня 1983 года.

Этапы эксплуатации

• 1983–1991 годы: Начальная фаза. JET работал в конфигурации с круглым сечением плазмы. В 1991 году впервые в мире была получена управляемая термоядерная реакция с использованием дейтерий-тритиевой смеси (D-T), что подтвердило принципиальную возможность зажигания плазмы в токамаке.
• 1992–1997 годы: Модернизация. Установлены диверторные пластины, изменена форма плазмы на D-образную (тип «ИТЭР-подобный»). В 1997 году JET установил мировой рекорд по выходной термоядерной энергии: 16,1 МВт при мощности нагрева 24 МВт (Q ≈ 0,67). Это оставалось рекордом до 2022 года.
• 2000–2010 годы: Переход к работе с дейтерием. Проведены эксперименты по изучению поведения плазмы в условиях, близких к ITER. В 2009 году начата программа по замене внутренних компонентов (стенок, дивертора) на бериллиевые и вольфрамовые, имитирующие материалы ITER.
• 2011–2021 годы: Работа с металлическими стенками. В 2011 году завершена установка бериллиевой и вольфрамовой облицовки. В 2019–2021 годах проведены первые эксперименты с дейтерий-тритиевой смесью после модернизации.
• 2022 год: Рекордный эксперимент. 21 декабря 2021 года (результаты опубликованы в феврале 2022 года) JET достиг рекордной выходной энергии в 59 МДж в течение 5 секунд (Q ≈ 0,67), что подтвердило масштабируемость физики плазмы для ITER.

Завершение программы

В 2023 году было объявлено, что JET прекратит работу в конце 2023 года. Последний эксперимент с плазмой состоялся 18 декабря 2023 года. После этого начался процесс вывода из эксплуатации и демонтажа установки, который продлится до 2040-х годов. Данные, полученные за 40 лет работы, будут использоваться для проектирования ITER и будущих термоядерных реакторов.

Устройство и характеристики

Основные параметры

• Тип: токамак (тороидальная камера с магнитными катушками).
• Большой радиус плазмы: 2,96 м.
• Малый радиус плазмы: 1,25 м (по вертикали) и 2,10 м (по горизонтали, D-образное сечение).
• Тороидальное магнитное поле: до 3,45 Тл.
• Плазменный ток: до 5 МА.
• Объём плазмы: около 80 м³.
• Масса: около 2800 тонн.

Системы нагрева

Для нагрева плазмы до термоядерных температур (150–200 млн °C) используются три системы:

• Нейтральная инжекция: пучки нейтральных атомов дейтерия с энергией до 140 кэВ (мощность до 25 МВт).
• Ионный циклотронный резонансный нагрев (ICRH): радиочастотное излучение на частоте 23–56 МГц (мощность до 15 МВт).
• Электронный циклотронный резонансный нагрев (ECRH): гиротроны на частоте 140 ГГц (мощность до 3 МВт).

Диагностика

JET оснащён более чем 100 диагностическими системами, включая:

• Томсоновское рассеяние для измерения температуры и плотности электронов.
• Зонды Ленгмюра для измерения параметров краевой плазмы.
• Спектроскопия для анализа примесей и ионного состава.
• Магнитные измерения (петли Роговского, зонды Мирнова) для контроля положения плазмы.

Научные достижения

Рекорды термоядерного синтеза

• 1991 год: Первая в мире управляемая D-T-реакция (выход 1,7 МВт).
• 1997 год: Рекордная мощность 16,1 МВт (Q ≈ 0,67).
• 2022 год: Рекордная энергия 59 МДж за 5 секунд (Q ≈ 0,67). В этом эксперименте использовалась дейтерий-тритиевая смесь в соотношении 50:50, что позволило достичь стабильного горения плазмы в течение 5 секунд.

Изучение физики плазмы

JET позволил исследовать:

• Турбулентность и транспорт: механизмы переноса тепла и частиц в плазме, включая режимы улучшенного удержания (H-мода).
• Неустойчивости: тиринг-моды, неоклассические тиринг-моды, разрывы плазмы (disruptions).
• Взаимодействие плазмы со стенками: эрозия и осаждение материалов, образование тритиевых отложений.
• Эффекты альфа-частиц: нагрев плазмы продуктами реакции (гелий-4).

Вклад в ITER

JET стал испытательным стендом для многих технологий ITER:

• Материалы: бериллиевая и вольфрамовая облицовка, испытанная в 2011–2023 годах, подтвердила совместимость с D-T-плазмой.
• Дивертор: конструкция дивертора JET (тип «снежинка») была прототипом для ITER.
• Системы управления: алгоритмы контроля положения плазмы и подавления неустойчивостей.
• Тритиевые технологии: обращение с тритием, его накопление и очистка.

Применение и значение

Для термоядерной энергетики

JET предоставил экспериментальное подтверждение физических моделей, используемых в ITER. Без данных JET проектирование ITER было бы невозможно. В частности, JET показал, что:

• D-T-реакция может быть устойчиво воспроизведена в токамаке.
• Металлические стенки (бериллий, вольфрам) совместимы с термоядерной плазмой.
• Масштабирование параметров (размер, ток, поле) от JET к ITER корректно.

Для образования и подготовки кадров

JET служил учебной базой для тысяч учёных и инженеров из стран-участниц. Многие специалисты, работавшие на JET, впоследствии перешли в ITER и другие проекты (например, DEMO).

Критика и ограничения

Технические ограничения

• Недостижение зажигания: JET никогда не достигал Q > 1 (выход энергии больше затрат на нагрев). Максимальный Q ≈ 0,67.
• Короткие импульсы: длительность разрядов ограничена 5–10 секундами из-за нагрева медных катушек (JET не имеет сверхпроводящих магнитов).
• Радиационная безопасность: работа с тритием требовала строгих мер защиты, что увеличивало стоимость эксплуатации.

Финансовые и политические аспекты

• Высокая стоимость: общие затраты на строительство и эксплуатацию JET за 40 лет превысили 10 миллиардов евро (в ценах 2020 года).
• Зависимость от Великобритании: после выхода Великобритании из ЕС (Brexit) возникли сложности с финансированием и доступом к данным, однако в 2021 году было подписано соглашение о продолжении сотрудничества до 2023 года.

Интересные факты

• JET — единственный в мире токамак, работавший с дейтерий-тритиевой смесью (помимо TFTR в США, закрытого в 1997 году).
• В 1991 году на JET впервые в мире была получена термоядерная реакция с использованием трития, добытого из тяжелой воды (D₂O) на канадском реакторе.
• В 2022 году эксперимент JET стал самым мощным в истории термоядерного синтеза: 59 МДж за 5 секунд — это примерно столько же энергии, сколько потребляет средний дом в Великобритании за 10 часов.
• JET находится на территории бывшего аэродрома Королевских ВВС (RAF Culham), который использовался во время Второй мировой войны.

Источники

• JET Team. «Fusion energy production from a deuterium-tritium plasma in the JET tokamak». Nature, 1992.
• M. Keilhacker et al. «High fusion performance from deuterium-tritium plasmas in JET». Nuclear Fusion, 1999.
• J. Mailloux et al. «Overview of JET results for optimising ITER operation». Nuclear Fusion, 2022.
• Culham Centre for Fusion Energy. «JET: The Joint European Torus». Официальный сайт, 2023.
• ITER Organization. «JET and ITER: A partnership for fusion». ITER Newsline, 2021.