Материалы портала «Научная Россия»

Новые технологии термоядерного синтеза

Новые технологии термоядерного синтеза
Золотая мечта человечества может сбыться: новые типы реакторов и топлива способны привести нас к управляемому термояду

Термоядерная энергетика свыше полувека остается золотой мечтой человечества. Первые работы в этой области были выполнены в СССР в начале 1950-х годов, когда Игорь Тамм и Андрей Сахаров предложили удерживать горячую плазму в тороидальных камерах с помощью магнитного поля (позднее такие установки были названы токамаками). В 1954 году в московском Институте атомной энергии (который тогда был замаскирован под именем Лаборатории измерительных приборов АН СССР) начались испытания фарфоровой камеры с магнитной намоткой, которая стала прообразом будущих токамаков. Эта схема заложена в конструкцию международного экспериментального термоядерного реактора ITER, который с 2010 года сооружается неподалеку от французского ядерного исследовательского центра в поселке Кадараш к северу от Марселя. Он будет работать на смеси тяжелых изотопов водорода — дейтерия и трития.

Проект ITER оказался твердым орешком. При его утверждении предполагалось, что первый поджог плазмы состоится в 2015–2016 годах, а стоимость реактора составит порядка 5 млрд долларов. Сейчас начало его работы перенесено самое раннее на 2027 год, а ожидаемые затраты подскочили десятикратно. Не может похвастаться большими успехами и американская установка NIF, где термоядерное горение предполагается осуществить с помощью лазерного сжатия дейтерия и трития. Затраты на нее превысили три с половиной миллиарда долларов, однако до запуска термоядерной реакции пока очень далеко.

Однако на крупных национальных или интернациональных программах свет клином не сошелся. Управляемый термояд пытаются осуществить небольшие частные фирмы, которые надеются разрешить эту проблему быстрее государственных гигантов и за относительно скромные деньги. Для достижения этой цели они хотят использовать новые типы реакторов, а иногда и другие виды термоядерного топлива.

Наибольший интерес инвесторов вызывает калифорнийская фирма Tri Alpha со штатом в 150 человек, которую в 1998 году основали американские физики Норман Ростокер и Хендрик Монхорст. Объем ее финансирования превысил 140 млн долларов, причем часть этих денег пришла из России. В совете директоров Tri Alpha состоит Анатолий Чубайс. Фирма имеет хорошие связи с новосибирским Институтом ядерной физики имени Будкера, где для нее в прошлом году построили мощный инжектор плазмы. 

Компания Tri Alpha  рассчитывает реализовать на практике идею линейного реактора на встречных потоках плазмы, которую в 1997 году выдвинули Ростокер, Монхорст и Мичл Биндербауэр. Его топливом послужит самый распространенный изотоп бора с атомным весом 11. При температуре порядка миллиарда градусов ядро бора сливается с протоном и образует ядро углерода. Это ядро распадается на альфа-частицу (ядро гелия) и ядро бериллия-8, которое в свою очередь распадается еще на пару альфа частиц. Так что на входе реакции имеем протон и ядро бора-11, а на выходе — три альфа-частицы (что и отражено в названии фирмы).

Замена топлива — вопрос принципиальный. Смесь дейтерия и трития в реакторе ITER можно будет поджечь при температуре «всего лишь» 100–150 млн градусов. Однако для удержания плазмы потребуются очень сильные магнитные поля, создающие давление на стенки реактора в сотни атмосфер. По этой причине ITER будет весить 23 тысячи тонн — втрое больше Эйфелевой башни. Кроме того, слияние ядер дейтерия и трития приводит к рождению не только альфа-частиц, но и быстрых нейтронов, которые уносят 80% выделяемой энергии и создают радиационное загрязнение стенок реактора. В проекте фирмы  Tri Alpha задействован безнейтронный термоядерный синтез, что позволит сильно уменьшить вес и габариты реактора — по крайней мере, в теории. По мнению авторов проекта, эти преимущества перекрывают то обстоятельство, что при слиянии ядра бора и протона выделяется вдвое меньше энергии, нежели при слиянии ядер трития и дейтерия.

Поскольку разогрев плазмы до миллиарда градусов в тороидальной камере практически невозможен, Ростокер и его коллеги предложили линейный реактор. Внешне он напоминает два артиллерийских орудия со встречными стволами, направленными в центральную камеру. Эти установки будут формировать плазменные вихревые кольца (так называемые плазмоиды) и выбрасывать их навстречу друг другу со скоростью 250 км/сек. Плазмоиды должны сталкиваться и сливаться в центральной зоне, превращая свою кинетическую энергию в тепло. Чтобы еще больше нагреть вторичный плазмоид, его будет обстреливать ионными пучками. Расчеты показывают, что таким путем удастся поднять температуру плазмы до миллиадда градусов, что достаточно для начала термоядерной реакции. Быстрые альфа-частицы предполагается направлять в теплообменник, где они будут отдавать энергию рабочему веществу паровой турбины. Фирма также изучает возможность создания магнитного конвертора, в котором энергия альфа-частиц будет трансформироваться непосредственно в электричество.

Фирма несколько лет проводит эксперименты на десятиметровом испытательном стенде С-2, на котором отрабатывается технология получения и слияния плазмоидов. В прошлом году на этой машине удалось довести время жизни вторичного плазмоида до пяти миллисекунд, что очень много для сверхгорячей плазмы. Предполагается, что в будущем реакторе зона термоядерного горения будет постоянного подпитываться плазменными вихрями и сможет генерировать энергию столько времени, сколько будет подаваться топливо. Но до этого пока далеко.

Другие фирмы-стартапы идут иными путями. В штате Вашингтон компания Helion Energy разрабатывает компактный линейный реактор на встречных пучках, который будет использовать традиционное термоядереное  топливо — дейтерий и тритий. Канадская компания General Fusion намерена запустить термоядерную реакцию, сжимая плазменные кольца в быстро вращающейся оболочке из расплавленного свинца, так называемом лайнере. Ей удалось собрать на эту программу 62 млн канадских долларов, а ее штат превышает 60 сотрудников. Есть еще несколько фирм помельче со столь же экзотическими проектами. Пока все они далеки от своей конечной цели, однако ведь и запуска реактора ITER в лучшем случае придется ждать еще 13 лет.

термоядерная энергетика термоядерный синтез топливо

Назад

Социальные сети

Комментарии

  • Александр, 2 октября 2014 г. 16:51:05

    Сизифов труд. У человека нет и не будет материалов, способных удержать синтез...
  • Александр, 18 ноября 2014 г. 15:07:27

    Цитата:"Проект ITER оказался твердым орешком. При его утверждении предполагалось, что первый поджог плазмы состоится в 2015–2016 годах, а стоимость реактора составит порядка 5 млрд долларов. Сейчас начало его работы перенесено самое раннее на 2027 год, а ожидаемые затраты подскочили десятикратно. "
    Ну это еще цветочки. Стоимость еще подскочит тысячекратно. А начало придется перенести в настолько отдаленное будущее, что не в сказке сказать, не пером описать...
    Так что будет очень выгодно его вообще закрыть, это ведь только в сказках ищут то, не знаю что. А в реальности совсем другое дело.

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий