Суперники токамака, телеграф, навколо світу

Вчені шукають способи запобігти постійну нейтронну бомбардування, яка робить стінки токамака сильно радіоактивних. Фото: Lawrence Berkeley National Laboratory

35 років тому академік Лев Андрійович Арцимович (1909-1973) сказав, що термоядерний реактор буде побудований тоді, коли він буде потрібен. Зараз можна констатувати, що цей момент наблизився до нас «на відстань витягнутої руки». Тому що при нинішньому рівні споживання енергії углеродосодержащего палива в розвіданих родовищах (включаючи вугілля) повинно вистачити на 40-50 років. На жаль, споживання постійно зростає, і зростає, на жаль, не по лінійному закону. Що ж стосується перспективи видобутку нафти в Північному Льодовитому океані, то вона поки що куди більш невизначена, ніж запуск на Місяці мережі АЕС з подальшим транспортуванням енергії на Землю за допомогою лазерного променя.

На даний момент основні надії на досягнення керованого термоядерного синтезу пов'язані з токамака - реактором правильної геометричної форми (тороідальн камери з магнітної котушками - термін, запропонований Андрієм Дмитровичем Сахаровим (1921-1989) і Ігорем Євгеновичем Таммом (1895-1971), розрахованого та його перший проект). Перший токамак був створений під керівництвом Арцимовича в Інституті ядерної енергії ім. І. В. Курчатова в 1960-і роки. У його камері, заповненій сумішшю ізотопів водню. при температурі в сотні мільйонів градусів відбувалася термоядерна реакція синтезу інертного газу гелію з виділенням володіють величезною енергією нейтронів.

Але з токамака пов'язана одна серйозна проблема: плазма, яка утримується всередині тороидальной камери магнітним полем, нестабільна. В процесі неконтрольованого дрейфу вона «сповзає» до зовнішніх стінок реактора, миттєво охолоджується, і відбувається «великий зрив» реакції. Порівняно недавно час утримання плазми становило десяті частки секунди. Зараз рахунок вже йде на секунди, і тим не менше на утримання плазми доводиться витрачати майже стільки ж енергії, скільки виробляється. Рекорд поки що належить токамака EAST китайського Інституту фізики плазми - 1,25: 1.

Розпечена плазма усередині Tokamak Fusion Test Reactor. Фото: Princeton Plasma Physics Laboratory

м'ятий бублик

Однак наукові пошуки отримання мирної термоядерної енергії не зводяться лише до одного «токамачному мейнстріму». Є ще два напрямки, також вельми обнадійливих. Один з них - створення стелараторів, які, як і токамаки, являють собою реактори з магнітним утриманням плазми. У них точно так само здійснюється синтез гелію з важких ізотопів водню при тих же самих температурних режимах і тиску в мільйони атмосфер. Однак механізм розігріву плазми і її магнітного утримання в стелараторах інший.

У токамаке плазма «утримує сама себе». Тобто тороїдальні магнітні котушки, насаджені на тороидальную замкнуту камеру, створюють магнітне поле, яке наводить у круговому плазмовому шнурі струм. Цей струм створює полоідальним поле, яке утримує плазму, стискає шнур в діаметрі (це називається пинч-ефектом), не даючи плазмі стикатися з холодними стінками камери. Крім цього електричний струм в плазмі нагріває її за рахунок омічного опору. Правда, такого нагріву недостатньо, і в камеру доводиться инжектировать пучки нейтральних атомів високої енергії або використовувати високочастотну опромінення плазми.

Стелларатор, розроблений під керівництвом Лео Спітцера (Leo Spitzer, 1887-1960) в Прінстонському університеті (Princeton University), конструктивно складніше токамака. Він являє собою перекручений і деформований в плані бублик. Не менш химерна конфігурація насаджених на нього магнітних котушок. За рахунок цієї витонченості вдається відмовитися від використання струму в плазмі як генерації утримує поля, що формується всередині камери. Цю роль відіграє зовнішнє по відношенню до камери реактора поле, створюване зовнішніми магнітами складної конфігурації.

За рахунок цього вдається істотно підвищити стабільність плазми, надійно перешкоджаючи її зіткненню з холодними стінками камери. Рекордний час підтримки і нагріву плазми, що перевищує 54 хвилини, було зафіксовано на японському стелараторі LHD. Тобто за цим параметром токамак ITER повинен наблизитися до стелараторі лише через десять років.

Ще одна перевага даного типу термоядерних реакторів полягає в тому, що гвинтова обмотка стелараторі здатна очищати робочу суміш від домішок і видаляти продукти реакції. Втім, такі - діверторние - обмотки почали використовувати і в токамаках нового покоління.

Але є і істотний недолік - великі втрати енергії плазми, викликані нерівномірністю утримує магнітного поля, що замикає групи частинок в своїх гофра. Через це поки не вдається отримати в реакторі даного типу температуру, що забезпечує стійкий термоядерний синтез. Проблема ускладнюється ще й тим, що надпровідні магніти стелараторі для створення поля необхідної напруженості споживають енергії значно більше, ніж котушки токамака, в якому поле створює струм в плазмовому джгуті.

Внутрішній вид японського стелараторі Large Helical Device. Фото: NIFS (Japan)

Вчені в різних країнах світу небезуспішно намагаються вирішити цю проблему, про що свідчать параметри нагріву плазми в новітніх стелараторах. До таких належать вищезгаданий японський LHD (Large Helical Device) в токійському Національному інституті ядерного синтезу (National Institute for Fusion Science) і створюється в Інституті фізики плазми Макса Планка (Max-Planck-Institut für Plasmaphysik) Wendelstein 7-X. де температура плазми наближається до 10 мільйонам градусів. Збільшення температури досягається не тільки за рахунок збільшення енергії інжектіруемих в плазму атомів, але перш за все за допомогою удосконалення магнітних пасток, згладжування нерівномірності утримує поля. В результаті цих заходів, які стали можливими завдяки моделюванню процесів на сучасних суперкомп'ютерах, виходить квазісімметрічное поле, втрати енергії в якому наближаються до втрат в токамаках.

У німецькому проекті беруть участь вчені з інших країн, серед яких є Украінане і українці. Wendelstein 7-X буде найбільшим стелараторі в світі. Великий радіус робочої камери - 5,5 м (3,6 м у японського LHD). Малий радіус - 0,5 м. Потужність нагріву плазми - 20 МВт. Надпровідні магнітні котушки NbTi з робочою температурою 1,8 До мають індукцію 6 Тл.

До квазісімметрічному типу стелараторів відноситься і запущений в середині цього року HSX (Helically Symmetric eXperiment), на створення якого група вчених з університету Вісконсіна-Медісона (University of Wisconsin-Madison) під керівництвом Девіда Андерсона (David Anderson) витратила 17 років. На підставі результатів тестування установки її творці стверджують, що за рівнем втрат енергії плазми він нічим не поступається сучасним токамака. HSX, можна сказати, - мініатюрний стелларатор в порівнянні з японським і німецьким «побратимами». Великий радіус робочої камери у нього 1,2 м. Малий - 0,3 м. Магнітні котушки створюють індукцію 1,37 Тл при робочому струмі 13,4 кА. Потужність нагріву плазми - 100 кВт. І при цьому плазма нагрівається до температури майже 20 мільйонів градусів - відмінний показник.

Вибір реактора системи токамак для глобальної міжнародної програми ITER пояснюється декількома причинами. По-перше, відчутний прорив до режимам, при яких отримується енергія синтезу наблизилася до енергії, що витрачається, стався на реакторах даного типу раніше. По-друге, витрати на будівництво стелараторів вище, оскільки вони складніше в конструктивно-технологічному відношенні. До того ж ефективність роботи стелараторі сильно залежить від його розмірів - чим він більший, тим краще. Отже, і коштують вони дорожче, що безпосередньо впливає і на вартість електрики, що виробляється. І, нарешті, по-третє, як завжди, коли вирішується питання про витрачання мільярдів доларів, спрацювали і бюрократичні важелі, і політичні. І нам залишається із задоволенням констатувати, що вітчизняна наукова школа взяла верх над американською.

Мішень, яка використовується в проекті NIF, - циліндр з капсулою палива. Ширина капсули - всього кілька міліметрів, а по величині вона порівнянна з маленькою горошиною. Фото: Lawrence Livermore National Security, LLC, and Lawrence Livermore National Laboratory

Стрілянина по тарілочках

У 1960-і роки, коли з'явився лазер, виникла ідея отримання термоядерної енергії за допомогою інерційного термоядерного синтезу. Її суть така. У реакторну камеру з певною частотою вкидають мішень, що представляє собою міліметровий кульку, заповнений дейтерієм і тритієм, і підпалюють його потужним лазерним променем. В результаті відбувається послідовна низка термоядерних мікровзривов, енергія яких перетворюється в електричну. Що нагадує роботу двигуна внутрішнього згоряння, де дискретна енергія займання палива перетворюється в безперервне обертальний рух.

Ідея виявилася гарною, але важко реалізовується в технічному відношенні. Найпростіше було створити мішень і випробувати її традиційним для військових методом - під землею, з використанням в якості запалу плутонієвого заряду. Мішень являє собою кульку діаметром в 1-3 мм. Під твердою оболонкою в ній знаходиться шар замороженого палива - дейтерій і тритій. У центрі мішені - розріджений газоподібне DT-паливо. Оболонки для мішеней можуть виготовлятися з різноманітних матеріалів - металевих сплавів і пластиків.

Для підпалу мішені необхідно прикласти до неї потужність з щільністю 10 20 Вт / см 2. При цьому випромінювач - драйвер - повинен видавати 10-наносекундний імпульс з енергією в декілька МДж. Існують і інші жорсткі вимоги. Нерівномірність опромінення мішені не повинна перевищувати 1% (мішень з усіх боків «присмажується» декількома променями). І, нарешті, для отримання вихідної потужності в 1 ГВт необхідно підпалювати мішені з частотою 5-6 Гц. В результаті впливу на мішень величезної енергії вона стискається, в її «підлогою» центрі відбувається термоядерна реакція, яка поширюється на тверде заморожене, паливо.

Існують дві схеми підпалу мішені - прямий, коли промені лазера падають безпосередньо на її поверхню. І за допомогою відбиває камери з тугоплавкого матеріалу, наприклад, вольфраму, в яку промені проникають через отвори і багаторазово відбиваються від стінок.

NIF - один з наріжних каменів спеціальної програми Міністерства енергетики США (Stockpile Stewardship Program). Для запуску реакції в NIF буде використаний найбільший в світі лазер. Цей експеримент повинен допомогти вченим переконатися в можливостях ядерної зброї без проведення реальних випробувань, а також стане джерелом цінної інформації для фундаментальної науки і термоядерної енергетики. Фото: DOE

Найбільших результатів в освоєнні інерційного термоядерного синтезу домоглися американці на 192-променевої лазерної установки NIF (National Ignition Facility), розташованої в Ліверморі. Вона обрушує на мішені енергію в 1,8 МДж. Однак використання лазера для генерування комерційної електроенергії вельми проблематично в зв'язку з низьким ККД лазерів. Але США, які витратили на створення NIF понад 5 мільярдів доларів, припускали використання її не тільки і, ймовірно, не стільки для вирішення енергетичної проблеми, скільки для розробок нових видів озброєнь.

Куди більш перспективними для підпалу мішеней є іонні пучки важких елементів, наприклад, свинець. (Пучки легких іонів, незважаючи на простоту їх генерації, не дозволяють домогтися необхідної фокусування променя, а також втрачають енергію при проходженні через залишковий газ в камері згоряння).

Одна з головних проблем при створенні драйверів пучків важких іонів - досягнення значної щільності частинок в імпульсі. І, схоже, вона незабаром буде усунуто. Вчені американської національної дослідницької лабораторії Берклі на установці NDCX-1 (Neutralized Drift Compression Experiment facility), експериментуючи з іонами ксенону, ртуті та цезію змогли стиснути отриманий на виході прискорювача 200-наносекундний імпульс до 4 наносекунд. Це стало можливо завдяки якоїсь хитромудрої магнітної системі, яка, як йдеться в релізі, розганяє «хвіст» імпульсу швидше, ніж «голову».

Енергія імпульсу поки невелика - 255 кеВ, і її явно недостатньо для підпалювання DT-мішені. Однак дослідники сповнені оптимізму, маючи намір створити більш досконалу установку NDCX-2. І це означає, що буде побудований багатокілометровий лінійний прискорювач.

І на закінчення варто сказати кілька слів про робочій камері реактора інерційного синтезу. Існує проект HYLIFE-11. згідно з яким камера має діаметр 8 метрів і висоту 20 метрів. Для поглинання енергії вибуху використовується рідка завіса з розплавленої солі Li2 BeF4. навколишнє область, куди вкидаються мішені. Рідка завіса служить також для змивання залишків мішеней і демпфірування тиску вибухів, сила яких еквівалентна 20-200 кг в тротиловому еквіваленті. Витрата рідкого теплоносія становить 50 м 3 / с. Передбачена рідка шторка, що відкривається синхронізовано з подачею мішені з частотою близько 5 Гц для пропускання пучка важких іонів. Точність подачі мішені складає долі міліметра.

Хто в підсумку переможе в термоядерної «гонці» - токамаки, «м'яті бублики» або установки інерційного ядерного синтезу, в найближчі роки все ж навряд чи стане зрозуміло. Але переможець буде - це точно ясно вже зараз.