Ученые отыскивают методы предупредить постоянную нейтронную бомбардировку, которая делает стены токамака очень радиактивными. Фото: Lawrence Berkeley National Laboratory
35 годов назад академик Лев Андреевич Арцимович (1909–1973) произнес, что ядерный реактор будет построен тогда, когда он будет нужен. На данный момент можно констатировать, что этот момент приблизился к нам «на расстояние вытянутой руки». Так как при сегодняшнем уровне употребления энергии углеродосодержащего горючего в разведанных месторождениях (включая уголь) должно хватить на 40–50 лет. К огорчению, потребление повсевременно растет, и растет, как досадно бы это не звучало, не по линейному закону. Что все-таки касается перспективы добычи нефти в Северном ледовитом океане, то она пока куда более призрачна, чем пуск на Луне сети АЭС с следующей транспортировкой энергии на Землю с помощью лазерного луча.В реальный момент главные надежды на достижение управляемого термоядерного синтеза связаны с токамаком — реактором правильной геометрической формы (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками — термин, предложенный Андреем Дмитриевичем Сахаровым (1921–1989) и Игорем Евгеньевичем Таммом (1895–1971), рассчитавшими и его 1-ый проект). 1-ый токамак был сотворен под управлением Арцимовича в Институте ядерной энергии им. И.В.Курчатова в 1960-е годы. В его камере, заполненной консистенцией изотопов водорода, при температуре в сотки миллионов градусов происходила термоядерная реакция синтеза инертного газа гелия с выделением владеющих большой энергией нейтронов.
Но с токамаками связана одна суровая неувязка: плазма, удерживаемая снутри тороидальной камеры магнитным полем, нестабильна. В процессе неконтролируемого дрейфа она «сползает» к наружным стенам реактора, одномоментно охлаждается, и происходит «большой срыв» реакции. Сравнимо не так давно время удержания плазмы составляло десятые толики секунды. На данный момент счет уже идет на секунды, и все же на удержание плазмы приходится растрачивать практически столько же энергии, сколько делается. Рекорд пока принадлежит токамаку EAST китайского Института физики плазмы — 1,25:1.
Делая упор на эти обнадеживающие результаты, мировое научное общество строит во Франции превосходный экспериментальный токамак ITER. Подразумевается, что к 2015 году он будет выдавать мощность 1 ГВт при времени непрерывного горения плазмы более часа. Выходная мощность должна превосходить затрачиваемую в 10–15 раз. Ну, а к 2030–2050 году на базе ITER будет сотворен макет коммерческой термоядерной электростанции. В проекте ценой 13 млрд баксов учавствуют Евросоюз, Индия, КНР, Наша родина, США, Южная Корея и Япония. И если эти планы реализуются, то, перефразировав подзабытую фразу Хрущева, можно возлагать, что сегодняшнее поколение землян будет жить при управляемом термояде.
Раскаленная плазма снутри Tokamak Fusion Test Reactor. Фото: Princeton Plasma Physics Laboratory
Мятый бублик
Но научные поиски получения мирной термоядерной энергии не сводятся только к одному «токамачному мейнстриму». Еще есть два направления, также очень обнадеживающих. Какой-то из них — создание стеллараторов, которые, как и токамаки, представляют собой реакторы с магнитным удержанием плазмы. В их точно так же осуществляется синтез гелия из томных изотопов водорода при тех же самых температурных режимах и давлении в миллионы атмосфер. Но механизм разогрева плазмы и ее магнитного удержания в стеллараторах другой.
В токамаке плазма «удерживает сама себя». Другими словами тороидальные магнитные катушки, насаженные на тороидальную замкнутую камеру, делают магнитное поле, которое наводит в радиальном плазменном шнуре ток. Этот ток делает полоидальное поле, которое держит плазму, сжимает шнур в поперечнике (это именуется пинч-эффектом), не давая плазме соприкасаться с прохладными стенами камеры. Кроме этого электронный ток в плазме нагревает ее за счет омического сопротивления. Правда, такового нагрева недостаточно, и в камеру приходится инжектировать пучки нейтральных атомов высочайшей энергии или использовать частотное облучение плазмы.
Стелларатор, разработанный под управлением Лео Спитцера (Leo Spitzer, 1887–1960) в Принстонском институте (Princeton University), конструктивно труднее токамака. Он представляет собой перекрученный и деформированный в плане бублик. Более затейлива конфигурация насаженных на него магнитных катушек. За счет этой изощренности удается отрешиться от использования тока в плазме в качестве генерации удерживающего поля, формирующегося снутри камеры. Эту роль играет наружное по отношению к камере реактора поле, создаваемое наружными магнитами сложной конфигурации.
Из-за этого удается значительно повысить стабильность плазмы, накрепко препятствуя ее соприкосновению с прохладными стенами камеры. Рекордное время поддержания и нагрева плазмы, превышающее 54 минутки, было зафиксировано на японском стеллараторе LHD. Другими словами по этому параметру токамак ITER должен приблизиться к стеллараторам только через 10 лет.
Очередное достоинство данного типа термоядерных реакторов состоит в том, что винтообразная обмотка стелларатора способна очищать рабочую смесь от примесей и удалять продукты реакции. Вобщем, такие — диверторные — обмотки начали использовать и в токамаках последнего поколения.
Но есть и значимый недочет — огромные энергопотери плазмы, вызванные неравномерностью удерживающего магнитного поля, запирающего группы частиц в собственных гофрах. Из-за этого пока не удается получить в реакторе данного типа температуру, обеспечивающую устойчивый ядерный синтез. Неувязка утежеляется к тому же тем, что сверхпроводящие магниты стелларатора для сотворения поля нужной напряженности потребляют энергии значительно больше, чем катушки токамака, в каком поле делает ток в плазменном жгуте.
Внутренний вид японского стелларатора Large Helical Device. Фото: NIFS (Japan)
Ученые в различных странах мира небезуспешно пробуют решить эту делему, о чем свидетельствуют характеристики нагрева плазмы в новейших стеллараторах. К таким относятся вышеупомянутый японский LHD (Large Helical Device) в токийском Государственном институте ядерного синтеза (National Institute for Fusion Science) и создающийся в Институте физики плазмы Макса Планка (Max-Planck-Institut für Plasmaphysik) Wendelstein 7-X, где температура плазмы приближается к 10 миллионам градусов. Повышение температуры достигается не только лишь за счет роста энергии инжектируемых в плазму атомов, но сначала с помощью усовершенствования магнитных ловушек, сглаживания неравномерностей удерживающего поля. В итоге этих мероприятий, ставших вероятными благодаря моделированию процессов на современных суперкомпьютерах, выходит квазисимметричное поле, энергопотери в каком приближаются к потерям в токамаках.
В германском проекте учавствуют ученые из других государств, посреди которых есть россияне и украинцы. Wendelstein 7-X будет наикрупнейшим стелларатором в мире. Большой радиус рабочей камеры — 5,5 м (3,6 м у японского LHD). Малый радиус — 0,5 м. Мощность нагрева плазмы — 20 МВт. Сверхпроводящие магнитные катушки NbTi с рабочей температурой 1,8 К имеют индукцию 6 Тл.
К квазисимметричному типу стеллараторов относится и запущенный посреди этого года HSX (Helically Symmetric eXperiment), на создание которого группа ученых из института Висконсина-Мэдисона (University of Wisconsin–Madison) под управлением Дэвида Андерсона (David Anderson) издержала 17 лет. На основании результатов тестирования установки ее создатели говорят, что по уровню утрат энергии плазмы он ничем не уступает современным токамакам. HSX, можно сказать, — маленький стелларатор в сопоставлении с японским и германским «собратьями». Большой радиус рабочей камеры у него 1,2 м. Малый — 0,3 м. Магнитные катушки делают индукцию 1,37 Тл при рабочем токе 13,4 кА. Мощность нагрева плазмы — 100 кВт. И при всем этом плазма греется до температуры практически 20 миллионов градусов — непревзойденный показатель.
Выбор реактора системы токамак для глобальной интернациональной программке ITER разъясняется несколькими причинами. Во-1-х, осязаемый прорыв к режимам, при которых получаемая энергия синтеза приблизилась к затрачиваемой энергии, произошел на реакторах данного типа ранее. Во-2-х, издержки на строительство стеллараторов выше, так как они труднее в конструктивно-технологическом отношении. К тому же эффективность работы стелларатора очень находится в зависимости от его размеров — чем он больше, тем лучше. Как следует, и стоят они дороже, что конкретно оказывает влияние и на цена вырабатываемого электричества. И, в конце концов, в-3-х, как обычно, когда решается вопрос о расходовании млрд баксов, сработали и бюрократические рычаги, и политические. И нам остается с ублажение констатировать, что российская научная школа взяла верх над американской.
Мишень, применяемая в проекте NIF, — цилиндр с капсулой горючего. Ширина капсулы — всего несколько мм, а по величине она сравнима с малеханькой горошиной. Фото:Lawrence Livermore National Security, LLC, and Lawrence Livermore National Laboratory
Стрельба по тарелочкам
В 1960-е годы, когда появился лазер, появилась мысль получения термоядерной энергии с помощью инерционного термоядерного синтеза. Ее сущность такая. В реакторную камеру с определенной частотой вбрасывают мишень, представляющую собой миллиметровый шарик, заполненный дейтерием и тритием, и поджигают его массивным лазерным лучом. В итоге происходит поочередная вереница термоядерных микровзрывов, энергия которых преобразуется в электронную. Что припоминает работу бензинового двигателя, где дискретная энергия воспламенения горючего преобразуется в непрерывное вращательное движение.
Мысль оказалась прекрасной, но тяжело реализуемой в техническом отношении. Проще всего было сделать мишень и испытать ее обычным для военных способом — под землей, с внедрением в качестве запала плутониевого заряда. Мишень представляет собой шарик поперечником в 1–3 мм. Под жесткой оболочкой в ней находится слой замороженного горючего — дейтерий и тритий. В центре мишени — разреженное газообразное DT-топливо. Оболочки для мишеней могут изготавливаться из различных материалов — железных сплавов и пластиков.
Для поджига мишени нужно приложить к ней мощность с плотностью 1020 Вт/см2. При всем этом излучатель — драйвер — должен выдавать 10-наносекундный импульс с энергией в несколько МДж. Есть и другие жесткие требования. Неравномерность облучения мишени не должна превосходить 1% (мишень со всех боков «поджаривается» несколькими лучами). И, в конце концов, для получения выходной мощности в 1 ГВт нужно поджигать мишени с частотой 5–6 Гц. В итоге воздействия на мишень огромной энергии она сжимается, в ее «полом» центре происходит термоядерная реакция, которая распространяется на жесткое замороженное, горючее.
Есть две схемы поджига мишени — прямой, когда лучи лазера падают конкретно на ее поверхность. И с помощью отражающей камеры из тугоплавкого материала, к примеру, вольфрама, в которую лучи попадают через отверстия и неоднократно отражаются от стен.
NIF — один из краеугольных камешков специальной программки Министерства энергетики США (Stockpile Stewardship Program). Для пуска реакции в NIF будет применен наибольший в мире лазер. Этот опыт должен посодействовать ученым убедиться в способностях ядерного орудия без проведения реальных испытаний, также станет источником ценной инфы для базовой науки и термоядерной энергетики. Фото: DOE
Больших результатов в освоении инерционного термоядерного синтеза достигнули америкосы на 192-лучевой лазерной установке NIF (National Ignition Facility), расположенной в Ливерморе. Она обрушивает на мишени энергию в 1,8 МДж. Но внедрение лазера для генерирования коммерческой электроэнергии очень проблематично в связи с низким кпд лазеров. Но США, потратившие на создание NIF более 5 млрд баксов, подразумевали внедрение ее не только лишь и, возможно, не столько для решения энергетической трудности, сколько для разработок новых видов вооружений.
Куда более многообещающими для поджига мишеней являются ионные пучки томных частей, к примеру, свинец. (Пучки легких ионов, невзирая на простоту их генерации, не позволяют достигнуть нужной фокусировки луча, также теряют энергию при прохождении через остаточный газ в камере сгорания).
Одна из основных сложностей при разработке драйверов пучков томных ионов — достижение значимой плотности частиц в импульсе. И, похоже, она скоро будет устранена. Ученые американской государственной исследовательской лаборатории Беркли на установке NDCX-1 (Neutralized Drift Compression Experiment facility), экспериментируя с ионами ксенона, ртути и цезия смогли сжать приобретенный на выходе ускорителя 200-наносекундный импульс до 4 наносекунд. Это стало может быть благодаря некоторой хитроумной магнитной системе, которая, как говорится в релизе, разгоняет «хвост» импульса резвее, чем «голову».
Энергия импульса пока невелика — 255 кэВ, и ее очевидно недостаточно для поджигания DT-мишени. Но исследователи полны оптимизма, намереваясь сделать более совершенную установку NDCX-2. И это значит, что будет построен многокилометровый линейный ускоритель.
И в заключение стоит сказать несколько слов о рабочей камере реактора инерционного синтеза. Существует проект HYLIFE-11, согласно которому камера имеет поперечник 8 метров и высоту 20 метров. Для поглощения энергии взрыва употребляется водянистая заавесь из расплавленной соли Li2BeF4, окружающая область, куда вбрасываются мишени. Водянистая заавесь служит также для смывания остатков мишеней и демпфирования давления взрывов, сила которых эквивалентна 20–200 кг в тротиловом эквиваленте. Расход водянистого теплоносителя составляет 50 м3/с. Предусмотрена водянистая шторка, открывающаяся синхронизировано с подачей мишени с частотой около 5 Гц для пропускания пучка томных ионов. Точность подачи мишени составляет толики мм.
Кто в конечном итоге одолеет в термоядерной «гонке» — токамаки, «мятые бублики» либо установки инерционного ядерного синтеза, в самые наиблежайшие годы всё же навряд ли станет понятно. Но фаворит будет — это точно ясно уже на данный момент.
Владимир Тучков
ужс я даже не могу представить как это больно 