А сливането?

Докладите в края на миналата година за изграждането на реактор за синтез от китайски специалисти прозвучаха сензационно (1). Китайските държавни медии съобщиха, че съоръжението HL-2M, разположено в изследователски център в Ченду, ще заработи през 2020 г. Тонът на медийните съобщения показваше, че въпросът за достъпа до неизчерпаемата енергия на термоядрения синтез е решен завинаги.

По-внимателният поглед към детайлите помага за охлаждане на оптимизма.

Nowy апарат тип токамак, с по-усъвършенстван дизайн от познатите досега, трябва да генерира плазма с температури над 200 милиона градуса по Целзий. Това съобщи в прессъобщение ръководителят на Югозападния институт по физика на Китайската национална ядрена корпорация Дуан Сюру. Устройството ще осигури техническа поддръжка на китайците, работещи по проекта Международен термоядрен експериментален реактор (ITER)както и строителството.

Така че мисля, че това все още не е енергийна революция, въпреки че е създадена от китайците. Реактор HL-2M досега малко се знае. Не знаем каква е прогнозната топлинна мощност на този реактор или какви нива на енергия са необходими за провеждане на реакция на ядрен синтез в него. Не знаем най-важното – дали китайският термоядреен реактор е конструкция с положителен енергиен баланс, или е просто още един експериментален термоядреен реактор, който позволява реакция на термоядрен синтез, но в същото време изисква повече енергия за „запалване“ от енергията, която може да се получи в резултат на реакциите.

Международни усилия

Китай, заедно с Европейския съюз, САЩ, Индия, Япония, Южна Корея и Русия, са членове на програмата ITER. Това е най-скъпият от настоящите международни изследователски проекти, финансирани от гореспоменатите страни, струващ около 20 милиарда долара. Той е открит в резултат на сътрудничеството между правителствата на Михаил Горбачов и Роналд Рейгън по време на ерата на Студената война и много години по-късно е включен в договор, подписан от всички тези страни през 2006 г.

2. На строителната площадка на токамака ITER

Проектът ITER в Кадараш в Южна Франция (2) разработва най-големия токамак в света, тоест плазмена камера, която трябва да бъде опитомена с помощта на мощно магнитно поле, генерирано от електромагнити. Това изобретение е разработено от Съветския съюз през 50-те и 60-те години. Ръководител проект, Лаван Кобленц, обяви, че организацията трябва да получи "първата плазма" до декември 2025 г. ITER трябва да поддържа термоядрена реакция за около 1 хил. души всеки път. секунди, набирайки сила 500-1100 MW. За сравнение, най-големият британски токамак досега, JET (ставен европейски тор), задържа реакция за няколко десетки секунди и набира сила до 16 MW. Енергията в този реактор ще се освобождава под формата на топлина - не се предполага, че се превръща в електричество. Доставянето на термоядрена мощност към мрежата не може да се говори, тъй като проектът е само за изследователски цели. Само на базата на ITER ще бъде изградено бъдещото поколение термоядрени реактори, достигащи мощността 3-4 хиляди. MW.

Основната причина, поради която нормалните термоядрен електроцентрали все още не съществуват (въпреки над шестдесет години обширни и скъпи изследвания) е трудността да се контролира и „управлява“ поведението на плазмата. Въпреки това годините на експериментиране доведоха до много ценни открития и днес енергията на синтез изглежда по-близка от всякога.

Добавете хелий-3, разбъркайте и загрейте

ITER е основният фокус на глобалните изследвания на термоядрения синтез, но много изследователски центрове, компании и военни лаборатории работят и по други проекти за синтез, които се отклоняват от класическия подход.

Например, проведено през последните години на от Масачузетския технологичен институт експерименти с Шлем-3 на токамака даде вълнуващи резултати, вкл десетократно увеличаване на енергията плазмен йон. Учени, провеждащи експерименти върху токамака C-Mod в Масачузетския технологичен институт, заедно със специалисти от Белгия и Обединеното кралство, разработиха нов вид термоядрено гориво, съдържащо три вида йони. Екип Alcatel C-Mod (3) проведе проучване през септември 2016 г., но данните от тези експерименти бяха анализирани едва наскоро, разкривайки огромно увеличение на плазмената енергия. Резултатите бяха толкова обнадеждаващи, че учените, ръководещи най-голямата в света действаща лаборатория за синтез, JET в Обединеното кралство, решиха да повторят експериментите. Беше постигнато същото увеличение на енергията. Резултатите от изследването са публикувани в списание Nature Physics.

3. Tokamak Alcator C-Mod в експлоатация

Ключът към подобряване на ефективността на ядреното гориво беше добавянето на следи от хелий-3, стабилен изотоп на хелия, с един неутрон вместо два. Ядреното гориво, използвано в метода Alcator C, преди това съдържаше само два вида йони, деутерий и водород. Деутерий, стабилен изотоп на водорода с неутрон в ядрото (за разлика от водорода без неутрони), съставлява около 95% от горивото. Учени от Центъра за изследване на плазмата и Масачузетския технологичен институт (PSFC) използваха процес, наречен RF отопление. Антените до токамака използват специфична радиочестота, за да възбуждат частиците, а вълните са калибрирани, за да "нацели" водородните йони. Тъй като водородът съставлява малка част от общата плътност на горивото, концентрирането само на малка част от йоните при нагряване позволява да се достигнат екстремни енергийни нива. По-нататък стимулираните водородни йони преминават към деутериевите йони, преобладаващи в сместа, и образуваните по този начин частици навлизат във външната обвивка на реактора, отделяйки топлина.

Ефективността на този процес се повишава, когато към сместа се добавят йони на хелий-3 в количество по-малко от 1%. Чрез концентриране на цялото радио отопление върху малко количество хелий-3, учените повишиха енергията на йоните до мегаелектронволта (MeV).

First come - first served Еквивалент на руски: Eating late guest and bone

През последните няколко години имаше много развития в света на контролирания синтез, които възродиха надеждите на учените и на всички нас най-накрая да достигнем до „Свети Граал“ на енергията.

Добрите сигнали включват, наред с другото, открития от Принстънската лаборатория по физика на плазмата (PPPL) на Министерството на енергетиката на САЩ (DOE). Радиовълните са използвани с голям успех за значително намаляване на така наречените плазмени смущения, които могат да бъдат от решаващо значение в процеса на „обличане“ на термоядрени реакции. Същият изследователски екип съобщи през март 2019 г. за експеримент с литиев токамак, при който вътрешните стени на тестовия реактор бяха покрити с литий, материал, добре познат от батериите, често използвани в електрониката. Учените отбелязаха, че литиевата облицовка на стените на реактора абсорбира разпръснати плазмени частици, предотвратявайки тяхното отражение обратно към плазмения облак и пречи на термоядрените реакции.

4. Визуализация на проекта на TAE Technologies

Учени от големи реномирани научни институции дори се превърнаха в предпазливи оптимисти в своите изявления. Напоследък също се наблюдава огромен ръст на интереса към техниките за контролиран синтез в частния сектор. През 2018 г. Lockheed Martin обяви план за разработване на прототип на компактен термоядрен реактор (CFR) през следващото десетилетие. Ако технологията, върху която работи компанията, работи, устройство с размер на камион ще може да осигури достатъчно електричество, за да отговори на нуждите на устройство от 100 XNUMX квадратни фута. жители на града.

Други компании и изследователски центрове се състезават кой може да построи първия истински термоядрен реактор, включително TAE Technologies и Масачузетския технологичен институт. Дори Джеф Безос от Amazon и Бил Гейтс от Microsoft наскоро се включиха в проекти за сливане. NBC News наскоро преброи седемнадесет малки компании само за синтез в САЩ. Стартъп фирми като General Fusion или Commonwealth Fusion Systems се фокусират върху по-малки реактори, базирани на иновативни свръхпроводници.

Концепцията за "студен синтез" и алтернативи на големите реактори, не само токамаците, но и т.нар. стеларатори, с малко по-различен дизайн, построен включително в Германия. Търсенето на различен подход също продължава. Пример за това е устройство, наречено Z-пинч, построен от учени от Вашингтонския университет и описан в един от последните броеве на списание Physics World. Z-пинчът работи чрез улавяне и компресиране на плазмата в мощно магнитно поле. В експеримента беше възможно да се стабилизира плазмата за 16 микросекунди и реакцията на синтез продължи около една трета от това време. Демонстрацията трябваше да покаже, че синтезът в малък мащаб е възможен, въпреки че много учени все още имат сериозни съмнения за това.

От своя страна, благодарение на подкрепата на Google и други инвеститори за напреднали технологии, калифорнийската компания TAE Technologies използва различен, от типичния за експерименти с синтез, горивна смес от бор, които са били използвани за разработване на по-малки и по-евтини реактори, първоначално за целите на така наречения ракетен двигател с синтез. Прототип на цилиндричен термоядрен реактор (4) с противоположни лъчи (CBFR), който загрява водородния газ, за ​​да образува два плазмени пръстена. Те се комбинират със снопове инертни частици и се поддържат в такова състояние, което трябва да допринесе за увеличаване на енергията и издръжливостта на плазмата.

Друга фюжън стартъп General Fusion от канадската провинция Британска Колумбия се радва на подкрепата на самия Джеф Безос. Най-просто казано, неговата концепция е да инжектира гореща плазма в топка от течен метал (смес от литий и олово) вътре в стоманена топка, след което плазмата се компресира от бутала, подобно на дизелов двигател. Създаденото налягане трябва да доведе до синтез, който ще освободи огромно количество енергия за захранване на турбините на нов тип електроцентрала. Майк Деладж, главен технологичен директор в General Fusion, казва, че търговският ядрен синтез може да дебютира след десет години.

5. Илюстрация от термоядрен патент на ВМС на САЩ.

Наскоро ВМС на САЩ също подадоха патент за "устройство за плазмен синтез". Патентът говори за магнитни полета за създаване на "ускорена вибрация" (5). Идеята е да се изградят термоядрен реактори, достатъчно малки, за да бъдат преносими. Излишно е да казвам, че тази патентна заявка беше посрещната със скептицизъм.