Еще раз об управляемом термоядерном синтезе
Москва, 26 июля, 2020, 21:12 — ИА Регнум. ИА REGNUM продолжает публикацию цикла статей Джонотана Теннебаума, посвященных новой технологии получения реакций ядерного синтеза, способной, по его мнению, стать реальной экономически эффективной и экологически чистой заменой не только существующим атомным электростанциям, но и строящемуся экспериментальному термоядерному реактору ITER.
Третья статья цикла, опубликованная в Asia Times 18 июля 2020 года, называется «Более дешевый и быстрый способ получения ядерного синтеза».
* * *
Технология плотной фокусировки плазмы (ПФП) может обеспечить более простой, безопасный и экономически эффективный способ получения ядерной энергии.
Одна из наиболее привлекательных сторон подхода Эрика Лернера к ядерному синтезу с использованием ПФП заключается в возможности использования в качестве топлива бора и водорода. Это свойство позволяет использовать водородно-борный лазерный термоядерный реактор, о котором я писал в предыдущей статье (см. «Простой путь к ядерному синтезу»).
Кроме того, при реакции синтеза ядрами водорода образуются не нейтроны, а только заряженные альфа-частицы. Это дает ПФП огромные потенциальные преимущества по сравнению с известными технологиями термоядерного синтеза, которые используют в качестве топлива смеси изотопов водорода дейтерия (D) и трития (T).
Сегодня исследователи пытаются получить энергию не только с помощью лазерного ядерного синтеза, но, например, и на Международном экспериментальном реакторе Torus (ITER) стоимостью $40 млрд, который является прототипом будущей термоядерной электростанции.
С точки зрения требуемых физических условий реакция водород-бор находится в пределах потенциальной досягаемости ПФП, но далеко за пределами проектной способности существующих систем. Реакции ядерного синтеза требуют рабочих температур как минимум в десять раз выше достигнутых сегодня. В результате используется гораздо более «лёгкая» реакция дейтерия и трития.
К сожалению, DT-реакции выделяют около 80% своей энергии в виде нейтронов высокой энергии. Это приводит к целому ряду проблем. Будучи электрически нейтральными частицами, нейтроны легко проникают в атомные ядра окружающих материалов, делая часть из них радиоактивными. Кроме того, интенсивный поток генерируемых нейтронов может серьезно повредить открытые части реактора.
Проблема, связанная с индуцированной радиоактивностью материалов реактора, незначительна по сравнению с проблемой радиоактивных отходов; тем не менее термоядерные электростанции на основе DT-топлива потребуют систем для обработки, переработки и, что наиболее вероятно, среднесрочного хранения «радиоактивных» материалов. Радиоактивность, вызванная нейтронами, приводит к дополнительным затратам и сложностям при строительстве, обслуживании и эксплуатации термоядерной электростанции.
Возможно, еще более значительным является преимущество ПФП при преобразовании энергии, получаемой в результате реакций синтеза, в экономически выгодные формы, прежде всего, в электричество. В настоящее время не существует известного практического способа преобразования энергии интенсивного нейтронного излучения непосредственно в электричество.
Поскольку большая часть результатов термоядерного синтеза представлена в виде нейтронов, реакторы с DT-топливом должны использовать тепло, выделяемое при поглощении нейтронов в материале, окружающем «камеру горения». Затем тепло должно передаваться в системы охлаждения и теплообменники и, наконец, использоваться для питания турбогенераторов.
Эта устаревшая схема выработки тепловой энергии значительно увеличивает объем и стоимость будущей термоядерной электростанции.
Система ПФП работает на совершенно иных принципах. Она опирается на естественные самоорганизующиеся процессы, позволяющие сконцентрировать энергию электрического разряда в крошечной, плотной структуре, называемой плазмоидом, в которой могут быть созданы условия для синтеза бора и водорода.
Если удастся с помощью ПФП получить достаточное количество реакций синтеза, то мы смогли бы извлечь полученную энергию в пригодной для использования форме — в виде электричества. Но как этого добиться? Здесь опять природа приходит к нам на помощь.
Давно известно, что разряды ПФП генерируют мощные направленные пучки электронов и ионов. Как оказалось, эти лучи берут начало в самом плазмоиде, в конце цикла его «жизни».
В этот момент возникает новая нестабильность, которая нарушает силу и направление потоков энергии в плазмоиде и создает сильное электрическое поле. Ионы и электроны достигают высоких скоростей, двигаясь в противоположных направлениях вдоль оси устройства. Ионный пучок содержит альфа-частицы, образующиеся в результате реакций слияния бор-водород.
Естественно, речь идёт об одном, чрезвычайно коротком импульсе, а не о непрерывном пучке.
Технология преобразования энергии ионных пучков в электричество уже существует — она используется на многих ускорителях частиц. К сожалению, в этой технологии только две трети энергии плазмоида приходится на пучок ионов, а большая часть энергии испускается плазмой в виде рентгеновских лучей.
В ПФП предлагается решение в форме так называемого фотоэлектрического эффекта: рентгеновские лучи выбивают электроны из металла, генерируя тем самым электрическую энергию. Компания LPPFusion разработала запатентованную технологию преобразования рентгеновских лучей, использующую этот принцип.
Из произведенной электрической энергии часть идет на перезарядку электрических конденсаторов, которые обеспечивают электрический разряд, и на питание различных вспомогательных систем. Остальная часть идет в виде чистой продукции в электрическую сеть, в производственные процессы и т. п.
На электростанции, спроектированной LPPFusion, цикл разряда-перезарядки будет повторяться 200 раз в секунду, достигая чистой выходной мощности в 5 МВт. Таким образом, ПФП сможет генерировать необходимое количество чистой энергии в результате реакций синтеза.
Но ПФП всё ещё очень далек от достижения выработки чистой энергии большей мощности, чем было потреблено электростанцией.
Вплоть до того момента, как Лернер и его группа приступили к работе и получили первые результаты, никто не предпринимал систематических усилий по оптимизации процессов и результатов ядерного синтеза, используя вышеописанный процесс самоорганизации. На первый взгляд, задача кажется сложной: для достижения точки «безубыточности» количество энергии термоядерного синтеза, выделяемое за разряд, должно быть увеличено в 120 000 раз.
Эти цифры кажутся огромными. Но, как выясняется, это может быть достигнуто с помощью улучшений нескольких ключевых параметров. Естественно, никто не может дать стопроцентную гарантию успеха, но цель представляется достижимой в относительно краткосрочной перспективе.
Лернер и его группа следуют четко прописанной дорожной карте. Ключевой задачей является увеличение плотности плазмоида, прежде всего, путем улучшения симметрии массива нитей в точке их слияния и удвоения силы тока, проходящего через устройство.
Ожидается, что к концу этого года будет достигнуто необходимое увеличение плотности плазмоидов в 100 раз, а затем можно будет перейти на использование водородно-борного топлива.
Если все пойдет хорошо, этап разработки и создания прототипа может начаться уже в следующем году. Основное преимущество во времени и стоимости заключается в том, что при этом не потребуется масштабирования устройства. Коммерческая версия ПФП будет по существу иметь те же размеры, что и настоящая экспериментальная версия.
Очевидно, что Лернеру удалось вызвать значительный интерес к проекту, и большая часть затрат на текущую экспериментальную работу компенсируется за счет инвестиционного краудфандинга. В настоящее время проект смог привлечь более 750 инвесторов.
Тем не менее очевидно, что отсутствие адекватного финансирования на данный момент является основным фактором, сдерживающим скорость реализации проекта.
В следующей статье мы расскажем, как ПФП может поведать нам о Вселенной в астрономическом масштабе, включая такие объекты, как квазары и скопления галактик. Также будет опубликовано интервью с Эриком Лернером о проекте ПФП и его других его научных работах.