А зліццё?

Сенсацыйнымі гучалі паведамленні канца мінулага года аб будаўніцтве рэактара для сінтэзу кітайскімі спецыялістамі (1). Дзяржаўныя СМІ Кітая паведамілі, што ўстаноўка HL-2M, размешчаная ў даследчым цэнтры ў Чэнду, пачне працаваць у штатным рэжыме ў 2020 годзе. Тон паведамленняў СМІ сведчыў аб тым, што пытанне доступу да невычэрпнай энергіі тэрмаядзернага сінтэзу вырашана назаўжды.

Пільны погляд на дэталі дапамагае астудзіць аптымізм.

Новы апарат тыпу токамак, З больш дасканалай канструкцыяй, чым вядомыя да гэтага часу, павінен генераваць плазму з тэмпературай вышэй за 200 мільёнаў градусаў па Цэльсіі. Аб гэтым у прэс-рэлізе паведаміў кіраўнік Паўднёва-Заходняга інстытута фізікі Кітайскай нацыянальнай ядзернай карпарацыі Дуань Сюру. Прылада акажа тэхнічную падтрымку кітайцам, якія працуюць над праектам Міжнародны тэрмаядзерны эксперыментальны рэактар ​​(ІТЭР)а таксама будаўніцтва.

Так што я думаю, што гэта яшчэ не энергетычная рэвалюцыя, хаця яна і створана кітайцамі. рэактар ​​ХЛ-2М пакуль мала што вядома. Мы не ведаем, якая прагназуемая цеплавая магутнасць гэтага рэактара або якія ўзроўні энергіі неабходны для запуску ў ім рэакцыі ядзернага сінтэзу. Мы не ведаем самага галоўнага - ці з'яўляецца кітайскі тэрмаядзерны рэактар ​​канструкцыяй са станоўчым энергетычным балансам, ці гэта проста чарговы эксперыментальны тэрмаядзерны рэактар, які дазваляе ажыццявіць рэакцыю сінтэзу, але пры гэтым патрабуе вялікіх энергазатрат на "загарання", чым энергія, якую можна атрымаць у выніку рэакцыі.

Міжнароднае намаганне

Кітай разам з Еўрапейскім саюзам, ЗША, Індыяй, Японіяй, Паўднёвай Карэяй і Расіяй з'яўляюцца ўдзельнікамі праграмы ІТЭР. Гэта самы дарагі з бягучых міжнародных даследчых праектаў, якія фінансуюцца вышэйзгаданымі краінамі, коштам каля 20 мільярдаў долараў ЗША. Ён быў адкрыты ў выніку супрацоўніцтва ўрадаў Міхаіла Гарбачова і Рональда Рэйгана ў эпоху халоднай вайны, а праз шмат гадоў быў уключаны ў дагавор, падпісаны ўсімі гэтымі краінамі ў 2006 годзе.

2. На будаўнічай пляцоўцы такамака ІТЭР

У рамках праекту ИТЭР у Кадарашы на поўдні Францыі (2) распрацоўваецца найбуйны ў міры токамак, т. е. плазменная камера, якую неабходна прыручыць з дапамогай магутнага магнітнага поля, стваранага электрамагнітамі. Гэтае вынаходства было распрацавана Савецкім Звязам у 50-х і 60-х гадах. Кіраўнік праекта, Лаван Кобленц, абвясціў, што арганізацыя павінна атрымаць "першую плазму" да снежня 2025 г. ІТЭР павінен кожны раз падтрымліваць тэрмаядзерную рэакцыю прыкладна на 1 тыс. чалавек. секунды, набіраючы сілу 500-1100 МВт. Для параўнання, самы вялікі на сённяшні дзень брытанскі токамак, JET (сумесны еўрапейскі тор), захоўвае рэакцыю на працягу некалькіх дзясяткаў секунд і набірае сілу да 16 МВт. Энергія ў гэтым рэактары будзе вылучацца ў выглядзе цяпла - яе не мяркуецца пераўтвараць у электрычнасць. Аб пастаўцы тэрмаядзернай энергіі ў сетку не можа быць і гаворкі, паколькі праект прызначаны толькі для даследчых мэт. Толькі на базе ІТР трэба будзе будаваць будучае пакаленне тэрмаядзерных рэактараў, якія дасягаюць магутнасці 3-4 тысячы. МВт.

Асноўная прычына, па якой да гэтага часу не існуе нармальных тэрмаядзерных электрастанцый (нягледзячы на ​​больш чым шэсцьдзесят гадоў шырокіх і дарагіх даследаванняў), заключаецца ў складанасці кантролю і "кіравання" паводзінамі плазмы. Тым не менш, гады эксперыментаў далечы шмат каштоўных адкрыццяў, і сёння тэрмаядзерная энергія здаецца нашмат бліжэй, чым калі-небудзь.

Дадаць гелій-3, змяшаць і нагрэць

ІТЭР з'яўляецца асноўным напрамкам глабальных даследаванняў у галіне тэрмаядзернага сінтэзу, але многія даследчыя цэнтры, кампаніі і ваенныя лабараторыі таксама працуюць над іншымі праектамі ў галіне тэрмаядзернага сінтэзу, якія адхіляюцца ад класічнага падыходу.

Напрыклад, праведзеныя ў апошнія гады на з Масачусецкага Тэхналагічнага Інстытута эксперыменты з Шлем-3 на токамаку далі захапляльныя вынікі, у тым ліку дзесяціразовае павелічэнне энергіі іён плазмы. Навукоўцы, якія праводзяць эксперыменты на такамаку C-Mod у Масачусецкім тэхналагічным інстытуце, сумесна са спецыялістамі з Бельгіі і Вялікабрытаніі распрацавалі новы тып тэрмаядзернага паліва, які змяшчае тры тыпы іёнаў. Каманда Alcatel C-Mod (3) правёў даследаванне яшчэ ў верасні 2016 года, але дадзеныя гэтых эксперыментаў былі прааналізаваны толькі нядаўна, выявіўшы велізарнае павелічэнне энергіі плазмы. Вынікі былі настолькі абнадзейваючымі, што навукоўцы, якія кіруюць найбуйнейшай у свеце дзеючай тэрмаядзернай лабараторыяй, а менавіта JET у Вялікабрытаніі, вырашылі паўтарыць эксперыменты. Такі ж прырост энергіі быў дасягнуты. Вынікі даследавання апублікаваны ў часопісе Nature Physics.

3. Токамак Alcator C-Mod у працы

Ключом да падвышэння эфектыўнасці ядзернага паліва было даданне следавых колькасцяў гелія-3, стабільнага ізатопа гелія, з адным нейтронам замест двух. Ядзернае паліва, выкарыстоўванае ў метадзе Alcator C, раней утрымоўвала толькі два тыпу іёнаў - дэйтэрый і вадарод. Дэйтэрый, стабільны ізатоп вадароду з нейтронам у ядры (у адрозненне ад вадароду без нейтронаў), складае каля 95% паліва. Навукоўцы з Цэнтра даследавання плазмы і Масачусецкага тэхналагічнага інстытута (PSFC) выкарыстоўвалі працэс, званы нагрэў у радыёчастотах. Антэны побач з токамакам выкарыстоўваюць пэўную радыёчастату для ўзрушанасці часціц, а хвалі адкалібраваць для «нацэльвання» на іёны вадароду. Паколькі вадарод складае малюсенькую дзель ад агульнай шчыльнасці паліва, канцэнтрацыя на нагрэве толькі невялікай часткі іёнаў дазваляе дасягнуць экстрэмальных узроўняў энергіі. Далей стымуляваныя іёны вадароду пераходзяць да пераважных у сумесі іёнаў дэйтэрыя, а часціцы, якія ўтвараюцца такім чынам, трапляюць у знешнюю абалонку рэактара, вылучаючы цяпло.

Эфектыўнасць гэтага працэсу павялічваецца пры даданні ў сумесь іёнаў гелія-3 у колькасці менш за 1%. Сканцэнтраваўшы ўвесь радыёнагрэў на малаважнай колькасці гелія-3, навукоўцы паднялі энергію іёнаў да мегаэлектронвольт (МЭВ).

Першым прыбыў - першым абслужаны Эквівалент у рускай мове: позні госць грызе і косць

За апошнія некалькі гадоў у свеце работ па кіраваным ядзерным сінтэзе адбылося шмат падзей, якія адрадзілі надзеі навукоўцаў і ўсіх нас нарэшце дасягнуць "Святога Грааля" энергіі.

Добрыя сігналы ўключаюць, сярод іншага, адкрыцці Прынстанскай лабараторыі фізікі плазмы (PPPL) Міністэрства энергетыкі ЗША (DOE). Радыёхвалі з вялікім поспехам выкарыстоўваліся для значнага зніжэння так званага плазменныя абурэнні, якія могуць мець вырашальнае значэнне падчас «перапрананняў» тэрмаядзерных рэакцый. Тая ж даследчая група ў сакавіку 2019 года паведаміла аб эксперыменце з літыевым токамакам, у якім унутраныя сценкі выпрабавальнага рэактара былі пакрыты літыем — матэрыялам, добра вядомым па батарэях, якія звычайна выкарыстоўваюцца ў электроніцы. Навукоўцы адзначылі, што літыевае абліцоўванне на сценках рэактара паглынае рассеяныя часціцы плазмы, не даючы ім адбівацца назад да плазменнага воблака і перашкаджаючы тэрмаядзерным рэакцый.

4. Візуалізацыя праекта TAE Technologies

Навукоўцы буйных аўтарытэтных навуковых устаноў нават ператварыліся ў асцярожных аптымістаў у сваіх заявах. У апошні час таксама назіраецца велізарны рост цікавасці да тэхнікі кантраляванага сінтэзу ў прыватным сектары. У 2018 годзе кампанія Lockheed Martin аб'явіла аб плане распрацоўкі прататыпа кампактнага тэрмаядзернага рэактара (CFR) на працягу бліжэйшага дзесяцігоддзя. Калі тэхналогія, над якой працуе кампанія, працуе, прылада памерам з грузавік зможа забяспечыць дастатковую колькасць электраэнергіі для задавальнення запатрабаванняў прылады пляцам 100 XNUMX квадратных футаў. жыхары горада.

У спаборніцтве за тое, хто пабудуе першы рэальны рэактар ​​сінтэзу, удзельнічаюць іншыя кампаніі і даследчыя цэнтры, у тым ліку TAE Technologies і Масачусецкі тэхналагічны інстытут. Нават Джэф Безос з Amazon і Біл Гейтс з Microsoft нядаўна сталі ўдзельнічаць у праектах па зліцці. NBC News нядаўна налічыла семнаццаць невялікіх кампаній, якія займаюцца выключна тэрмаядзерным сінтэзам у ЗША. Такія стартапы, як General Fusion ці Commonwealth Fusion Systems, сканцэнтраваны на рэактарах меншага памеру на аснове інавацыйных звышправаднікоў.

Канцэпцыя "халоднага сінтэзу" і альтэрнатывы вялікім рэактарам, не толькі токамакам, але і т.зв. стэларатараў, з некалькі іншай канструкцыяй, пабудаванай у тым ліку ў Нямеччыне. Пошук іншага падыходу таксама працягваецца. Прыкладам гэтага з'яўляецца прылада пад назвай Z-шчыпка, пабудаваны навукоўцамі з Вашынгтонскага ўніверсітэта і апісаны ў адным з апошніх нумароў часопіса «Physics World». Z-пінч працуе, захопліваючы і сціскаючы плазму ў магутным магнітным полі. У эксперыменце ўдалося стабілізаваць плазму на 16 мікрасекунд, а рэакцыя сінтэзу ішла прыкладна трэць гэтага часу. Дэманстрацыя павінна была паказаць, што маламаштабны сінтэз магчымы, хаця ў многіх вучоных усё яшчэ ёсць сур'ёзныя сумненні наконт гэтага.

У сваю чаргу, дзякуючы падтрымцы Google і іншых інвестараў, якія займаюцца перадавымі тэхналогіямі, каліфарнійская кампанія TAE Technologies выкарыстоўвае іншы, чым характэрны для эксперыментаў з сінтэзам, баравадародная паліўная сумесь, Якія выкарыстоўваліся для распрацоўкі меншых па памеры і больш танных рэактараў, першапачаткова з мэтай так званага тэрмаядзерны ракетны рухавік. Прататып цыліндрычнага тэрмаядзернага рэактара (4) са сустрэчнымі прамянямі (CBFR), які награвае газападобны вадарод з адукацыяй двух плазменных кольцаў. Яны аб'ядноўваюцца са звязкамі інэртных часціц і ўтрымліваюцца ў такім стане, што павінна садзейнічаць павелічэнню энергіі і даўгавечнасці плазмы.

Яшчэ адзін тэрмаядзерны стартап General Fusion з канадскай правінцыі Брытанская Калумбія карыстаецца падтрымкай самога Джэфа Безаса. Прасцей кажучы, яго канцэпцыя складаецца ва ўводзінах гарачай плазмы ў шар з вадкага металу (сумесь літыя і свінцу) усярэдзіне сталёвага шара, пасля чаго плазма сціскаецца поршнямі, падобна дызельнаму рухавіку. Ствараемы ціск павінен прывесці да тэрмаядзернага сінтэзу, які вызваліць велізарную колькасць энергіі для харчавання турбін электрастанцыі новага тыпу. Майк Делаж, тэхнічны дырэктар General Fusion, гаворыць, што камерцыйны ядзерны сінтэз можа дэбютаваць праз дзесяць гадоў.

5. Ілюстрацыя з тэрмаядзернага патэнта ВМС ЗША.

Нядаўна ВМС ЗША таксама падалі патэнт на "прылада плазменнага тэрмаядзернага сінтэзу". У патэнце гаворыцца аб магнітных палях для стварэння "паскоранай вібрацыі" (5). Ідэя складаецца ў тым, каб пабудаваць тэрмаядзерныя рэактары, дастаткова маленькія, каб іх можна было пераносіць. Залішне казаць, што гэтая патэнтная заяўка была ўспрынятая скептычна.