Горячая плазма и управляемый ядерный синтез
Управляемый ядерный синтез, без сомнения, одна из наиболее интригующих проблем, практическое решение которой даст человечеству неисчерпаемый источник дешевой и экологически чистой энергии.
Если бы удалось приручить реакции слияния легких ядер (дейтерия и трития), те реакции, что неуправляемо протекают при взрыве водородной бомбы, литр воды по своему энергетическому эквиваленту мог бы быть приравнен к 300 литрам бензина, так что человечество практически навсегда избавилось бы от энергетических забот.
Что же мешает получить эту энергию? Основная задача — свести реагирующие ядра на очень малые расстояния (порядка 10—13 см), при которых сильное электростатическое отталкивание положительно заряженных ядер сменяется мощным ядерным притяжением. Преодолеть или подавить этот потенциальный барьер, максимальная величина которого исчисляется энергией в несколько сотен электронвольт, значит осуществить реакцию ядерного синтеза.
В большинстве современных установок ионы термоядерного топлива нагревают до температур, достаточных для преодоления их взаимного отталкивания. Задачу существенно облегчает волновая природа частиц, благодаря которой они эффективно вступают в реакцию при энергиях, заметно меньших максимальной величины энергетического барьера.
Характерная энергия, при которой осуществляется термоядерный синтез с использованием в качестве топлива дейтерия,— 50 кэВ.
Для того, чтобы ядра начали эффективно сливаться, дейтерий и тритий надо предварительно превратить в плазму, а последнюю нагреть до температуры более 100 000 000 К и удержать от соприкосновения со стенками реактора в течение времени, достаточного для того, чтобы основная часть ядер успела прореагировать (это время в зависимости от состава и плотности плазмы оценивается в 1 — 100 с).
Чтобы «зажечь» термоядерное горючее — смесь дейтерия с тритием — требуется выполнить три операции: сжать, нагреть и удержать. Сжать — до определенной высокой плотности, нагреть — до определенной высокой температуры и удержать в сжатом и нагретом состоянии в течение определенного времени.
Энергосодержание термоядерной плазмы сравнительно невелико, а способов ее нагрева известно немало, так что свою основную задачу с самого начала исследователи видели в решении проблемы термоизоляции плазмы от стенок реактора.
Необходимость разделения «льда» и «пламени» доказывалась следующим образом. Допустим, что между плазмой и стенкой возник непосредственный контакт. Тогда по причине высокой теплопроводности плазмы потери тепла из плазмы на стенку будут на много порядков превосходить энергетический выход реактора.
Поскольку энерговыделение пропорционально объему плазмы, а потери на стенки пропорциональны ее поверхности, в принципе, всегда можно сконструировать реактор с положительным энерговыходом. Однако, как показывают оценки, линейные размеры такого реактора выходят за рамки разумного (десятки километров, если не более).
Был сделан вывод, что управляемые термоядерные реакции возможны лишь в магнитном сосуде, предотвращающем контакт плазмы с материальной стенкой.
На этом изображении показано Солнце, видимое с помощью телескопа мягкого рентгеновского излучения (SXT) на борту орбитального спутника Yohkoh. Яркие петлеобразные структуры представляют собой горячую (миллионы градусов) плазму, удерживаемую магнитными полями, уходящими корнями в недра Солнца.
Магнитная термоизоляция
В природных условиях синтез легких ядер происходит в недрах звезд, в частности, Солнца. При этом плазма удерживается от разлета гигантскими силами тяготения. Если исходить из того, что горячая плазма ни в коем случае не должна находиться в соприкосновении со стенкой, то в земных условиях действительно не видно иного заменителя силам тяготения, кроме магнитного поля.
Эта идея и была сформулирована в качестве основополагающей, причем почти одновременно физиками разных стран (в СССР И. Е. Таммом и А. Д. Сахаровым в 1950 г.).
Во второй половине XX века был предложен ряд прообразов термоядерных реакторов с магнитной термоизоляцией: стационарных или квазистационарных (пробкотрон, токамак, стелларатор) и импульсных (пинч-камеры), а также плазменных инжекторов (ускорителей).
Основные надежды возлагаются на тороидальные устройства типа «ТОКАМАК», в которых нагрев газообразного вещества обеспечивается мощным импульсом тока, а магнитное поле удерживает плазму от соприкосновения с холодными стенками камеры.
Значительно моложе идея инерционного термоядерного синтеза, в соответствии с которой для нагрева и сжатия плазмы используются мощные лазеры, пучки электронов или ионов. При этом в термоядерной микромишени развивается гигантское давление (около млрд. атм.), а плотность в 1000 раз превосходит плотность твердого тела. В этом случае реакция осуществляется в течение короткого времени, определяемого инерционным разлетом реагирующей плазмы, и носит характер микровзрыва.
Экспериментальные исследования поведения плазмы в макетах указанных устройств, ведущиеся уже более 60-ти лет и поглотившие не одну сотню миллионов и рублей и долларов, обогатили наши знания об этой субстанции, но, если что-то и показали с определенностью, так это полное несоответствие исходных теоретических представлений о плазме физической реальности.
Термоядерный эксперимент JET в 1991 году
JET - исследовательский центр термоядерного синтеза, основанный на конструкции токамака (совместный европейский проект). На этапе проектирования JET был крупнее любой такой машины, производившейся в то время. 9 ноября 1991 года JET провел первый в мире дейтерий-тритиевый эксперимент.
Применение энергии термоядерного синтеза в TAE Technologies
В 1998 году в США была основана компания TAE Technologies, целью которой было изготовление прототипа коммерческого термоядерного реактора.
Через 20 лет компапния подтвердила, что она уже начала строить реактор, работающий на термоядерном синтезе, предназначенный для производства чистой энергии. В компании заявили что благодаря разработанным ими технологиям к 2030 году теромоядерный синтез станет основным источником энергии в мире.
TAE Technologies - частная американская компания, состоящая из более чем 200 экспертов, включая физиков, инженеров, специализирующихся на разработке реакторов и технологий ядерного синтеза.
В интервью EE Times Майкл Биндербауэр, генеральный директор TAE Technologies, описал текущую ситуацию в области термоядерной энергии и ее применения в будущем.
Компания была основана в 1998 году как филиал физического факультета Калифорнийского университета в Ирвине. Большинство инженеров и ученых работают в лабораториях Калифорнии. Во всем мире на кампанию TAE работает около 250 человек.
Компания привлекла более 880 миллионов долларов частного финансирования от различных инвесторов, включая Google, NEA, Venrock и Wellcome Trust.
Михл Биндербауэр - австрийско-американский физик, предприниматель и генеральный директор TAE Technologies
«Наши консультанты - одни из самых опытных и известных имен в науке и промышленности. В нашу независимую научную группу вошли за многие годы несколько лауреатов Нобелевской премии и премии Максвелла.
В наш совет директоров входят Джеффри Иммельт, бывший генеральный директор GE, Джон Мак, бывший генеральный директор Morgan Stanley, Ричард Месерв, почетный президент Института Карнеги по науке и бывший председатель Комиссии по ядерному регулированию США, Эрнест Монис, бывший министр энергетики США и другие. Кроме того, TAE Technologies пользуется широкой поддержкой и помощью различных научных лабораторий и ведущих университетов мира».
Fusion Energy
Термоядерный синтез дает огромное количество чистой энергии, чтобы помочь смягчить глобальное потепление: термоядерная электростанция не сжигает ископаемое топливо и не производит выбросов парниковых газов или долгоживущих радиоактивных отходов.
Для большинства концепций термоядерного синтеза процесс начинается с нагрева различных изотопов водорода до очень высоких температур, в результате чего отдельные атомы теряют свои электроны и образуют ионы плазмы, которую необходимо удерживать.
Затем термоядерный синтез происходит за счет столкновений этих высокоэнергетических ионов, в результате чего вместе образуется гелий с огромным количеством энергии, которая в идеале может быть самоподдерживающейся, не требуя дополнительных затрат энергии.
Концепция TAE родилась из желания решить проблемы, с которыми сталкиваются обычные реакторы токомаков, такие как потребность в технологии обработки дейтерия и трития, ограниченная доступность трития, а также размер и стоимость сверхпроводящих магнитов.
В основе реактора ТАЕ, который разработан в проекте под названием Fusion Energy, лежит синтез водорода и бора, который является наиболее предпочтительным источником энергии в природе. Это тот же процесс, который приводит в действие Солнце и звезды, и это то, что делает возможной жизнь на Земле.
TAE рассматривает термоядерные технологии как жизненно важный и экономичный компонент будущего глобального энергоснабжения.
«Наша цель - уменьшить воздействие человека на окружающую среду с помощью нового источника безопасной, чистой, экономичной и безуглеродной энергии», - сказал Михл Биндербауэр.
Он добавил: «Термоядерный синтез - это «Святой Грааль» зеленой энергетики, потому что он может обеспечить то количество энергии, которое мы в настоящее время потребляем во всем мире, не говоря уже о том, что он удовлетворяет растущий спрос, с нулевыми выбросами углерода».
Решение TAE состоит в том, чтобы использовать синтез водорода и бора, реакцию, при которой испускаются только три ядра гелия, так называемые альфа-частицы и рентгеновские лучи, энергия которых в конечном итоге используется для вращения турбины привода электрогенератора.
«Мы считаем, что это лучший выбор человечества для получения доступной по цене безуглеродной энергии при базовой нагрузке в режиме 24/7.
Водород-бор - это самый чистый и безвредный для окружающей среды источник топлива на Земле, без вредных побочных продуктов и достаточного количества природных ресурсов, чтобы поддерживать планету практически на 100 000 лет. Как вид, мы, скорее всего, вымерли бы по своей воле, прежде чем у нас закончится это топливо», - сказал Биндербауэр.
Современные технологии и рынок
Получение энергии от земного термоядерного синтеза зависит от возможности поддержания плазмы при достаточно высоких температурах в течение достаточно длительного времени.
«В нашем новом реакторе в установке Norman нужная температура в миллионы градусов Цельсия относительно легко достижима. Однако поддерживать такую горячую среду чрезвычайно сложно, потому что плазма - это хрупкое вещество, которое необходимо защищать от условий, которые в противном случае могли бы привести к ее разложению или охлаждению».
Технология TAE
Компания TAE добилась значительного прогресса в разработке собственной платформы удержания плазмы, называемой усовершенствованной конфигурацией с обратным полем, управляемой лучом, или FRC.
«В отличие от токамаков «пончиковой» формы, FRC представляет собой линейную конфигурацию, которая удерживает плазму в форме полого вращающегося футбольного мяча с высокой магнитной эффективностью в относительно простом магнитном поле.
Термоядерное устройство TAE состоит из трубки длиной 20 метров, окруженной магнитами, в которую с обеих сторон на высокой скорости выстреливают плазменные кольца. Когда кольца сталкиваются, они образуют полый футбольный мяч внутри камеры реактора, который затем нагревается и стабилизируется путем выстрела в него пучков ускорителей.
Это уникальная инновация, впервые разработанная TAE. В результате это означает лучшую герметичность, повышенную стабильность плазмы и конкурентоспособный путь к коммерческой термоядерной энергии», - сказал Биндербауэр.
TAE Technologies начнет коммерциализацию технологии термоядерного реактора в ближайшие пять лет
Используя этот метод, компания TAE недавно достигла важной научной вехи в своей экспериментальной платформе и подтвердила уникальный подход компании к производству термоядерной энергии.
«В предыдущих экспериментальных режимах мы доказали, что можем поддерживать плазму в течение неопределенного времени (достаточно долго). Компания TAE уже запустила прототип установки со средней температурой плазмы 50 миллионов градусов по Цельсию и уверена, что получить 100+ миллионов градусов по Цельсию абсолютно достижимо к середине десятилетия, с последующими возможностями лицензирования», - сказал Биндербауэр.
Это достижение было поддержано развертыванием самых передовых доступных вычислительных процессов, включая машинное обучение в рамках продолжающегося сотрудничества с Google и вычислительной мощностью программы INCITE Министерства энергетики США.
Компания TAE использует такие технологии, как сверхпроводящие магниты, машинное обучение, общее управление машинами, науку о данных, вакуумные технологии, ускорительные технологии, высокоскоростную цифровую электронику, отвечающие требованиям термоядерного синтеза.
Проект Fusion не исключает других технологий. Михл Биндербауэр считает, что этот проект является частью всеобъемлющего портфеля возобновляемых источников энергии.
«Мы должны использовать другие формы зеленой энергии как сейчас, так и в будущем, даже когда синтез работает. Fusion - это долгосрочный подход и мощный источник энергии, который в конечном итоге может обеспечить необходимую мощность базовой нагрузки для электрических систем в дополнение к солнечной, ветровой и другим возобновляемым источникам энергии.
Поскольку термоядерный синтез не зависит от яркого солнца или ветра, он может обеспечить доступную мощность в любое время. Более того, поскольку термоядерный синтез является технологией производства энергии с самой высокой плотностью мощности, а конфигурация, разработанная в TAE, является безопасной, компактной, рентабельной и простой в развертывании, она может быть расположена близко к потребителям энергии, что снижает потребность в неэффективной и занимающей много места передаче электрической энергии с помощью воздушных линий, - сказал Биндербауэр.