А слияние?

Сенсационными звучали сообщения конца прошлого года о строительстве реактора для синтеза китайскими специалистами (1). Государственные СМИ Китая сообщили, что установка HL-2M, расположенная в исследовательском центре в Чэнду, заработает в штатном режиме в 2020 году. Тон сообщений СМИ свидетельствовал о том, что вопрос доступа к неисчерпаемой энергии термоядерного синтеза решен навсегда.

Пристальный взгляд на детали помогает охладить оптимизм.

Nowy аппарат типа токамак, с более совершенной конструкцией, чем известные до сих пор, должен генерировать плазму с температурой выше 200 миллионов градусов по Цельсию. Об этом в пресс-релизе сообщил глава Юго-Западного института физики Китайской национальной ядерной корпорации Дуань Сюру. Устройство окажет техническую поддержку китайцам, работающим над проектом Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР)а также строительство.

Так что я думаю, что это еще не энергетическая революция, хотя она и создана китайцами. реактор ХЛ-2М пока мало что известно. Мы не знаем, какова прогнозируемая тепловая мощность этого реактора или какие уровни энергии необходимы для запуска в нем реакции ядерного синтеза. Мы не знаем самого главного – является ли китайский термоядерный реактор конструкцией с положительным энергетическим балансом, или же это просто очередной экспериментальный термоядерный реактор, позволяющий осуществить реакцию синтеза, но при этом требующий больших энергозатрат на «воспламенения», чем энергия, которую можно получить в результате реакции.

Международное усилие

Китай вместе с Европейским союзом, США, Индией, Японией, Южной Кореей и Россией являются участниками программы ИТЭР. Это самый дорогой из текущих международных исследовательских проектов, финансируемых вышеупомянутыми странами, стоимостью около 20 миллиардов долларов США. Он был открыт в результате сотрудничества правительств Михаила Горбачева и Рональда Рейгана в эпоху холодной войны, а много лет спустя был включен в договор, подписанный всеми этими странами в 2006 году.

2. На строительной площадке токамака ИТЭР

В рамках проекта ИТЭР в Кадараше на юге Франции (2) разрабатывается крупнейший в мире токамак, т. е. плазменная камера, которую необходимо приручить с помощью мощного магнитного поля, создаваемого электромагнитами. Это изобретение было разработано Советским Союзом в 50-х и 60-х годах. Руководитель проекта, Лаван Кобленц, объявил, что организация должна получить «первую плазму» к декабрю 2025 г. ИТЭР должен каждый раз поддерживать термоядерную реакцию примерно на 1 тыс. человек. секунды, набирая силу 500-1100 MW. Для сравнения, самый большой на сегодняшний день британский токамак, JET (совместный европейский тор), сохраняет реакцию в течение нескольких десятков секунд и набирает силу до 16 MW. Энергия в этом реакторе будет выделяться в виде тепла — ее не предполагается преобразовывать в электричество. О поставке термоядерной энергии в сеть не может быть и речи, поскольку проект предназначен только для исследовательских целей. Только на базе ИТЭР предстоит строить будущее поколение термоядерных реакторов, достигающих мощности 3-4 тыс. МВт.

Основная причина, по которой до сих пор не существует нормальных термоядерных электростанций (несмотря на более чем шестьдесят лет обширных и дорогостоящих исследований), заключается в сложности контроля и «управления» поведением плазмы. Тем не менее, годы экспериментов дали много ценных открытий, и сегодня термоядерная энергия кажется намного ближе, чем когда-либо.

Добавить гелий-3, перемешать и нагреть

ИТЭР является основным направлением глобальных исследований в области термоядерного синтеза, но многие исследовательские центры, компании и военные лаборатории также работают над другими проектами в области термоядерного синтеза, которые отклоняются от классического подхода.

Например, проведенные в последние годы на Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden эксперименты с Хелем-3 на токамаке дали захватывающие результаты, в том числе десятикратное увеличение энергии ион плазмы. Ученые, проводящие эксперименты на токамаке C-Mod в Массачусетском технологическом институте, совместно со специалистами из Бельгии и Великобритании разработали новый тип термоядерного топлива, содержащего три типа ионов. Команда Алкатор C-Mod (3) провел исследование еще в сентябре 2016 года, но данные этих экспериментов были проанализированы только недавно, обнаружив огромное увеличение энергии плазмы. Результаты были настолько обнадеживающими, что ученые, управляющие крупнейшей в мире действующей термоядерной лабораторией, а именно JET в Великобритании, решили повторить эксперименты. Такой же прирост энергии был достигнут. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.

3. Токамак Alcator C-Mod в работе

Ключом к повышению эффективности ядерного топлива было добавление следовых количеств гелия-3, стабильного изотопа гелия, с одним нейтроном вместо двух. Ядерное топливо, используемое в методе Alcator C, ранее содержало только два типа ионов — дейтерий и водород. Дейтерий, стабильный изотоп водорода с нейтроном в ядре (в отличие от водорода без нейтронов), составляет около 95% топлива. Ученые из Центра исследования плазмы и Массачусетского технологического института (PSFC) использовали процесс, называемый нагрев в радиочастотах. Антенны рядом с токамаком используют определенную радиочастоту для возбуждения частиц, а волны откалиброваны для «нацеливания» на ионы водорода. Поскольку водород составляет крошечную долю от общей плотности топлива, концентрация на нагреве лишь небольшой части ионов позволяет достичь экстремальных уровней энергии. Далее стимулированные ионы водорода переходят к преобладающим в смеси ионам дейтерия, а образующиеся таким образом частицы попадают во внешнюю оболочку реактора, выделяя тепло.

Эффективность этого процесса повышается при добавлении в смесь ионов гелия-3 в количестве менее 1%. Сконцентрировав весь радионагрев на незначительном количестве гелия-3, ученые подняли энергию ионов до мегаэлектронвольт (МэВ).

Первым прибыл – первым обслужен Эквивалент в русском языке: поздний гость гложет и кость

За последние несколько лет в мире работ по управляемому ядерному синтезу произошло много событий, которые возродили надежды ученых и всех нас наконец достичь «Святого Грааля» энергии.

Хорошие сигналы включают, среди прочего, открытия Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE). Радиоволны с большим успехом использовались для значительного снижения так называемого плазменные возмущения, которые могут иметь решающее значение в процессе «переодевания» термоядерных реакций. Та же исследовательская группа в марте 2019 года сообщила об эксперименте с литиевым токамаком, в котором внутренние стенки испытательного реактора были покрыты литием — материалом, хорошо известным по батареям, обычно используемым в электронике. Ученые отметили, что литиевая облицовка на стенках реактора поглощает рассеянные частицы плазмы, не давая им отражаться обратно к плазменному облаку и мешая термоядерным реакциям.

4. Визуализация проекта TAE Technologies

Ученые крупных авторитетных научных учреждений даже превратились в осторожных оптимистов в своих заявлениях. В последнее время также наблюдается огромный рост интереса к технике контролируемого синтеза в частном секторе. В 2018 году компания Lockheed Martin объявила о плане разработки прототипа компактного термоядерного реактора (CFR) в течение ближайшего десятилетия. Если технология, над которой работает компания, работает, устройство размером с грузовик сможет обеспечить достаточное количество электроэнергии для удовлетворения потребностей устройства площадью 100 XNUMX квадратных футов. жители города.

В соревновании за то, кто построит первый реальный реактор синтеза, участвуют другие компании и исследовательские центры, в том числе TAE Technologies и Массачусетский технологический институт. Даже Джефф Безос из Amazon и Билл Гейтс из Microsoft недавно стали участвовать в проектах по слиянию. NBC News недавно насчитала семнадцать небольших компаний, занимающихся исключительно термоядерным синтезом в США. Такие стартапы, как General Fusion или Commonwealth Fusion Systems, сосредоточены на реакторах меньшего размера на основе инновационных сверхпроводников.

Концепция «холодного синтеза» и альтернативы большим реакторам, не только токамакам, но и т.н. стеллараторов, с несколько иной конструкцией, построенной в том числе в Германии. Поиск иного подхода также продолжается. Примером этого является устройство под названием Z-пинч, построен учеными из Вашингтонского университета и описан в одном из последних номеров журнала «Physics World». Z-пинч работает, захватывая и сжимая плазму в мощном магнитном поле. В эксперименте удалось стабилизировать плазму на 16 микросекунд, а реакция синтеза шла примерно треть этого времени. Демонстрация должна была показать, что маломасштабный синтез возможен, хотя у многих ученых все еще есть серьезные сомнения по этому поводу.

В свою очередь, благодаря поддержке Google и других инвесторов, занимающихся передовыми технологиями, калифорнийская компания TAE Technologies использует иной, чем характерный для экспериментов с синтезом, бороводородная топливная смесь, которые использовались для разработки меньших по размеру и более дешевых реакторов, первоначально с целью так называемого термоядерный ракетный двигатель. Прототип цилиндрического термоядерного реактора (4) со встречными лучами (CBFR), который нагревает газообразный водород с образованием двух плазменных колец. Они объединяются со связками инертных частиц и удерживаются в таком состоянии, что должно способствовать увеличению энергии и долговечности плазмы.

Еще один термоядерный стартап General Fusion из канадской провинции Британская Колумбия пользуется поддержкой самого Джеффа Безоса. Проще говоря, его концепция заключается во введении горячей плазмы в шар из жидкого металла (смесь лития и свинца) внутри стального шара, после чего плазма сжимается поршнями, подобно дизельному двигателю. Создаваемое давление должно привести к термоядерному синтезу, который высвободит огромное количество энергии для питания турбин электростанции нового типа. Майк Делаж, технический директор General Fusion, говорит, что коммерческий ядерный синтез может дебютировать через десять лет.

5. Иллюстрация из термоядерного патента ВМС США.

Недавно ВМС США также подали патент на «устройство плазменного термоядерного синтеза». В патенте говорится о магнитных полях для создания «ускоренной вибрации» (5). Идея состоит в том, чтобы построить термоядерные реакторы, достаточно маленькие, чтобы их можно было переносить. Излишне говорить, что эта патентная заявка была воспринята скептически.