Компактный генератор энергии будущего
Ученые из Lockheed Martin работают над проектом компактного термоядерного реактора. Такое устройство может существенно облегчить жизнь в ближайшем будущем и устранить нехватку энергии всего человечества. Этот реактор чище, мощнее, а главное - безопаснее всех современных крупных ядерных систем, в которых энергия производится путем расщепления атомов.
Важно отметить, что «компактность» концепта Lockheed означает, что он будет достаточно мал и практичен для повсеместного применения — от межпланетных кораблей и коммерческих судов до оснащения городов энергетическими блоками. Он даже может возродить концепцию больших самолетов на ядерной энергии, которым практически не придется заправляться — от этой идеи отказались еще 50 лет назад из-за опасностей и сложностей, связанных с реакторами ядерного деления.
Тем не менее идея термоядерного синтеза, в процессе которого атомы объединяются в более стабильные формы и высвобождают энергию, не нова. Еще в 1920 годы, когда было высказано предположение, что синтез питает звезды, ученые начали пытаться разработать рабочие формы использования этой энергии. Другие исследовательские институты, лаборатории и компании по всему миру тоже вынашивают идеи термоядерного синтеза, но ни одна из них не выходила дальше экспериментального состояния. В позапрошлом году Lockheed объявила о прорыве в сфере термоядерного синтеза, а в конце прошлого года — обнародовала детали проекта с целью привлечения партнеров, ресурсов и дополнительных исследователей.
Первым устройство в качестве эксклюзива заполучило издание Aviation Week. Экспериментальная модель Skunk Works под названием Revolutionary Technology Programs создана Томасом Макгиром, авиационным инженером, в рамках эксперимента T4. Для удобства просто назовем модель RTP. Подключенный к датчикам, инжекторам, турбонасосу, создающему внутренний вакуум, а также большому массиву батарей, стальной контейнер, похоже, должен стать первым возможным шагом в направлении решения головоломки, над которой бьются физики-ядерщики.
«Я изучал ее в аспирантуре, в ходе исследования NASA, и загорелся идеей: как быстрее добраться до Марса, — говорит Макгир, получивший степень доктора наук в Массачусетском технологическом институте. Чтение литературы на тему концепций двигателей на основе термоядерного синтеза лишь вызвало разочарование. — Так я вышел на этот путь, и в начале 2000-х я начал просматривать все идеи, которые были опубликованы. В основном я их брал и постепенно перемалывал, выделяя плюсы и минусы, подменяя одни стороны на другие. В итоге в Lockheed получилось что-то совершенно новое, над чем мы сейчас и работаем».
Чтобы понять прорыв концепции Lockheed, нужно знать, как работает синтез и как методы управления реакцией влияют на количество произведенной энергии и масштаб реактора. Топливо для синтеза, состоящее из изотопов водорода — дейтерия и трития — в виде газа впрыскивается в вакуумную камеру. Затем добавляется энергия, обычно радиочастотный нагрев, и газ разбивается на ионы и электроны, образуя плазму.
Сверхгорячая плазма управляется сильными магнитными полями, которые не позволяют ей касаться стенок сосуда, и если конфайнмент («удержание цвета» в физике элементарных частиц) успешно ограничивается, ионы преодолевают взаимное отталкивание, сталкиваются и сливаются. В этом процессе создается гелий-4, освобождая нейтроны, которые переносят кинетическую энергию через ограничивающие магнитные поля. Эти нейтроны нагревают стенки реактора, которые с помощью обычных теплообменников впоследствии приводят в движение турбинные генераторы.
ИТЭР
До сих пор большинство систем термоядерного синтеза использовали устройство для управления плазмой под названием «токамак», изобретенный в 1950-х года физиками Советского Союза. Токамак использует магнитное поле для удержания плазмы в форме тора, или кольца, и поддерживает реакцию индукции тока в самой плазме с помощью второго набора электромагнитов. Проблема такого подхода в том, что вырабатывается энергия почти в таком же количестве, которое необходимо для самоподдерживающейся реакции синтеза.
Усовершенствованная версия термоядерного реактора, Международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER, ИТЭР), строится в Кадараше, Франция, и должна будет вырабатывать 500 МВт. Тем не менее плазма не будет генерироваться до конца 2020-х годов, а энергия выработки едва ли будет мощной до конца 2040-х годов.
Проблема токамаков в том, что «они могут удержать только определенное количество плазмы, и мы называем это бета-пределом», говорит Макгир. Измеряемый как отношение давления плазмы к давлению магнитного поля, бета-предел среднестатистического токамака довольно низкий, или порядка «5% или около того от ограничивающего давления». Сравнивая тор с велосипедной шиной, Макгир добавляет: «Если они сильно ее накачают, шина в конечном счете взорвется — поэтому, в целях соблюдения безопасности, им нельзя подходить близко к этому пределу». Помимо этого, физика токамака диктует огромные размеры и высокую стоимость. ИТЭР обойдется приблизительно в 50 миллиардов долларов и по завершении будет 30 метров в высоту и весом в 23 000 тонн.
CFR сможет обойти эти проблемы, подойдя к конфайнменту плазмы принципиально по-другому. Вместо того чтобы ограничивать плазму внутри трубчатых колец, серия сверхпроводящих катушек будет генерировать геометрически новое магнитное поле, в котором плазма будет удерживаться в более широких рамках по всей камере.
«Таким образом, вместо того чтобы расширять велосипедную шину в воздух, у нас будет что-то вроде трубы, которая наращивает стенки, — говорит Макгир. Система будет своего рода саморегулироваться, используя механизм самоотдачи, чем дальше выходит плазма, тем сильнее магнитное поле будет заталкивать ее обратно, чтобы удержать. CFR, как ожидается, будет обладать бета-пределом, равным одному. — Мы хотим дойти до 100% или больше».
Это важное различие подразумевает, что при таких же размерах CFR будет производить больше энергии, чем токамак, с коэффициентом 10. Это же означает, что при той же выходной мощности CFR может быть в 10 раз меньше. Изменение масштаба очень многое значит с точки зрения производительности и стоимости, объясняет Макгин. «Одна из причин, по которой мы думаем о дальнейшем развитии и экономике концепции, это то, что она будет в десять раз меньше. С точки зрения физики она будет работать и будет намного стабильней». Одна из причин стабильности заключается в размещении сверхпроводящих катушек и форме линий магнитного поля. «В нашем случае всегда будет баланс. Если давление будет меньше, плазма тоже будет меньше и всегда поместится в магнитном поле».
В целом, по словам Макгира, конструкция Lockheed «берет лучшее от многих конструкций». Она включает высокую бета-конфигурацию, использование линий магнитного поля в форме линейного кольца для удержания плазмы и «инженерную простоту осесимметричного зеркала». «Осесимметричное зеркало» создается путем размещения зон магнитного поля на каждом конце камеры, так что они будут отражать значительную часть частиц плазмы, вылетающих вдоль оси CFR.
