Новый путь к ядерному синтезу?

Физики из национальной лаборатории Сандия выяснили, что определённая разновидность системы для управляемого синтеза может обеспечить тысячекратное превышение энергетического выхода над затратами электричества, необходимого для розжига ядерной реакции.

Исследованный, пока только в теории, метод получения энергии называется «намагниченный инерциальный синтез» (magnetized inertial fusion — MIF). Вкратце он работает так.

Сначала готовят небольшую топливную капсулу цилиндрической формы. С внутренней стороны этой оболочки размещают замороженные дейтерий и тритий, а в центре – те же изотопы, но газообразные.

Капсулу помещают в сердцевину машины. Там, чуть ниже и выше капсулы, расположены две электромагнитные катушки. При запуске аппарата сначала сравнительно маломощный лазер подогревает топливный заряд. Далее через катушки пропускается ток, который создаёт вертикальное магнитное поле, проникающее в оболочку топливного заряда.

В следующее мгновение уже сама оболочка генерирует очень сильный импульс магнитного поля за счёт прохождения через неё чрезвычайно большого тока (в десятки мегаампер).

Это второе поле и породивший его ток производят сразу два важных эффекта. Они заставляют оболочку капсулы сжаться в несколько раз. И они же сжимают и концентрируют силовые линии от первого поля.

MagLIF — прототип системы, окружающей «ядерную» мишень. Хорошо видны верхняя и нижняя магнитные катушки (фото Derek Lamppa/ Sandia National Laboratories).

Суммарный эффект приводит к тому, что оболочка превращается в плазму, а в газообразной смеси трития и дейтерия запускается реакция синтеза. При этом развивается столь высокая температура, что синтез уже начинает идти и в ранее замороженном ядерном горючем.

Сжатое магнитное поле играет роль занавеса, хотя бы на мгновения, но удерживающего быстрые альфа-частицы и электроны от разлёта и уноса энергии из зоны реакции. Это повышает время существования плазмы настолько, что всё топливо успевает нормально отработать. А ведь описанные выше процессы крайне быстротечны. Все они должны проходить за десятки-сотни наносекунд.

Здесь очень важной оказалась величина импульса тока, подаваемого на оболочку цели. Компьютерная симуляциявыявила, что при 60 мегаамперах в ходе термоядерной реакции освободится в 100 раз больше энергии, чем было затрачено на запуск установки.

А при 70 мегаамперах отдача будет уже в 1000 раз больше затрат. Это позволяет надеяться на создание работоспособной системы, даже с учётом всяческих потерь при преобразовании энергии.

Для создания импульса тока авторы метода предлагают использовать Z-машину, установленную в основном комплексе лаборатории Сандия в Альбукерке (на снимке под заголовком). Эта установка применяется в целом ряде экспериментов по воздействию высоких температур, полей и давлений на различные материалы.

В частности, это та самая машина, которая обеспечила рекордное ускорение твёрдого тела в 10 миллиардов g и превращала алмазы в жидкость.

Z-машина и её основные части: генераторы Маркса (красный цвет на схеме), они медленно заряжаются от обычной сети, а потом выдают импульс огромного тока и высокого напряжения, длящийся тысячные доли секунды; проводники тока (синий, голубой, серый); мишень в вакуумной камере (стрелка в центре). Для электрической изоляции отдельные высоковольтные секции машины заполнены тоннами трансформаторного масла и деионизированной воды (иллюстрации Sandia National Laboratories).

В программе работ на Z-машине числятся и эксперименты, имеющие отношение к проблеме управляемого термоядерного синтеза.

Только изучаемый до сих пор метод был немного иной.

Дело в том, что быстрое испарение специальной (сделанной из тонких струн) оболочки под действием колоссального тока рождает не только плазму, но и огромный рентгеновский импульс (до 290-350 тераватт в пике).

А такой импульс может создать в твёрдой мишени огромные ударные волны, и тем самым вызвать её мгновенное сжатие и разогрев.

Такая решётка из тонких (10 мкм) проводков служит в опытах на Z-машине источником рекордного импульса рентгена. Именно она испаряется первой при прохождении мегаамперного тока. В центре виден целевой контейнер с изучаемым образцом материала, которым может быть и дейтерий-тритиевая смесь, и что-либо ещё (фото Randy Montoya/ Sandia National Laboratories).

Собственно в некоторых опытах на Z-машине учёным уже удавалось получать температуру в 3,7 миллиарда кельвинов. По идее, этого должно быть вполне достаточно для старта термоядерного синтеза, но, к сожалению, время действия этой температуры было очень коротким.

Введение дополнительных катушек с полем, которое сожмётся в момент запуска машины и не позволит плазме слишком быстро остыть, это именно то, чего не хватало прежней схеме.

По оценке физиков, MIF должен быть в 50 раз эффективнее, чем инерциальный термоядерный синтез, опирающийся на рентгеновский импульс. (Детали этой работы можно найти в статье в Physical Review Letters.)

Один из авторов исследования Стив Слуц (Steve Slutz) говорит: «Люди не думали, что намагниченный инерциальный синтез способен дать реакцию с высокой отдачей. Но численные расчёты показывают, что так оно и есть. Сейчас мы должны посмотреть, позволит ли нам природа осуществить это. В принципе, мы не знаем, почему это не сработало бы».

Тут остаются ещё вопросы. Очень многое будет зависеть от равномерности сжатия материала мишени. Любые нестабильности в созданной плазме могут погубить эффект.

Для прояснения подобных тонкостей нужен натурный опыт. И его американцы уже готовят. Недавно они провели предварительные испытания тех самых магнитных катушек. С настоящего момента и до начала зимы различные узлы для будущей установки будут проходить тестирование. А какой-то практический результат исследователи ожидают получить к концу 2013 года.

Правда, ни о тысяче-, ни о стократном превышении термоядерного выхода над затратами речи не идёт. Ведь нынешняя Z-машина способна выдавать импульс тока «всего» в 26 мегаампер. Но и при таком уровне можно надеяться хотя бы на паритет (равенство «входа» и «выхода») или даже на небольшое превышение отдачи над затратами.

А позже можно попробовать нарастить параметры Z-машины или построить более крупный её вариант. В частности, специалисты лаборатории прорабатывают концепцию электростанции на инерциальном термоядерном синтезе, построенную вокруг «откормленной» Z-машины, раза в три большей по размеру, чем нынешняя.

Такая установка должна оперировать ультракороткими импульсами тока в 70 мегаампер при напряжении до 24 мегавольт. Взрывая с их помощью по одной капсуле каждые 10 секунд, она генерировала бы непрерывную мощность в 300 мегаватт.

Электростанция на базе увеличенной Z-машины. Синим цветом показаны генераторы импульса высокого напряжения типа LTD (вместо генераторов Маркса на текущей версии), коричневым – радиальные линии, передающие этот импульс в центр, где набор проводников (стрелка) подводит мегаамперный ток к дейтерий-тритиевой мишени. Диаметр этой установки должен составить 104 метра (иллюстрация Sandia National Laboratories).

И ещё интересный момент. Температура в 3,7 миллиарда кельвинов теоретически позволяет запускать и более экзотические процессы, в частности слияния ядер водорода с литием или бором. Это безнейтронные реакции (aneutronic fusion), не дающие радиации, наведённой радиоактивности и ядерных отходов.

Если проверка принципа MIF на нынешней Z-машине пройдёт хорошо, можно будет говорить о рождении перспективной технологии, способной поставлять человечеству огромное количество чистой энергии.