Нові технології термоядерного синтезу

Термоядерна енергетика понад півстоліття залишається золотою мрією людства. Перші роботи в цій області були виконані в СРСР на початку 1950-х років, коли Ігор Тамм і Андрій Сахаров запропонували утримувати гарячу плазму в тороїдальних камерах з допомогою магнітного поля (пізніше такі установки були названі токамаками).

У 1954 році в московському Інституті атомної енергії (який тоді був замаскований під ім’ям Лабораторії вимірювальних приладів АН СРСР) почалися випробування фарфорової камери з магнітним намотуванням, яка стала прообразом майбутніх токамаків. Ця схема закладена у конструкцію міжнародного експериментального термоядерного реактора ITER, який з 2010 року споруджується неподалік від французького ядерного дослідного центру в селищі Кадараш на північ від Марселя. Він буде працювати на суміші важких ізотопів водню – дейтерію і тритію.

Проект ITER виявився твердим горішком. При його затвердженні передбачалося, що перший підпал плазми відбудеться в 2015-2016 роках, а вартість реактора складе близько 5 млрд доларів. Зараз початок його роботи перенесено не раніше аніж на 2027 рік, а очікувані витрати підскочили десятикратно.

Не може похвалитися великими успіхами і американська установка NIF, де термоядерне горіння передбачається здійснити за допомогою лазерного стиснення дейтерію і тритію. Витрати на неї перевищили три з половиною мільярди доларів, однак до запуску термоядерної реакції поки дуже далеко.

Читайте також: Вперше термоядерний синтез отримав позитивне значення

Однак на великих національних або міжнародних програмах світло клином не зійшлося. Керований термояд намагаються здійснити невеликі приватні фірми, які сподіваються вирішити цю проблему швидше державних гігантів і за відносно скромні гроші. Для досягнення цієї мети вони хочуть використовувати нові типи реакторів, а іноді й інші види термоядерного палива.

Найбільший інтерес інвесторів викликає каліфорнійська фірма Tri Alpha зі штатом в 150 людина, яку в 1998 році заснували американські фізики Норман Ростокер і Хендрік Монхорст. Обсяг її фінансування перевищив 140 млн доларів. Компанія Tri Alpha розраховує реалізувати на практиці ідею лінійного реактора на зустрічних потоках плазми, яку в 1997 році висунули Ростокер, Монхорст і Мічл Біндербауер. Його паливом послужить найпоширеніший ізотоп бору з атомною вагою 11.

При температурі близько мільярда градусів ядро бору зливається з протоном і утворює ядро вуглецю. Це ядро розпадається на альфа-частинку (ядро гелію) і ядро берилію-8, яке в свою чергу розпадається ще на пару альфа-частинок. Так що на вході реакції маємо протон і ядро бору-11, а на виході – три альфа-частинки (що і відображено в назві фірми).

Заміна палива – питання принципове. Суміш дейтерію і тритію в реакторі ITER можна буде підпалити при температурі «всього лише» 100-150 млн градусів. Однак для утримання плазми потрібні дуже сильні магнітні поля, що створюють тиск на стінки реактора в сотні атмосфер. З цієї причини ITER буде важити 23 тисячі тонн – втричі більше Ейфелевої вежі. Крім того, злиття ядер дейтерію і тритію призводить до народження не тільки альфа-частинок, але і швидких нейтронів, які відносять 80% енергії, що виділяється, і створюють радіаційне забруднення стінок реактора.

У проекті фірми Tri Alpha задіяний безнейтронний термоядерний синтез, що дозволить відчутно зменшити вагу і габарити реактора – принаймні, в теорії. На думку авторів проекту, ці переваги перекривають ту обставину, що при злитті ядра бору і протона виділяється вдвічі менше енергії, ніж при злитті ядер тритію і дейтерію.

Оскільки розігрівання плазми до мільярда градусів тороїдальної камери практично неможливий, Ростокер і його колеги запропонували лінійний реактор. Зовні він нагадує два артилерійські знаряддя із зустрічними стовбурами, спрямованими в центральну камеру. Ці установки будуть формувати плазмові вихрові кільця (так звані плазмоїд) і викидати їх назустріч один одному зі швидкістю 250 км/с. Плазмоїди повинні стикатися і зливатися в центральній зоні, перетворюючи свою кінетичну енергію в тепло.

Щоб ще більше нагріти вторинний плазмоїд, його будуть обстрілювати іонними пучками. Розрахунки показують, що таким шляхом вдасться підняти температуру плазми до міліардів градусів, що достатньо для початку термоядерної реакції. Швидкі альфа-частинки передбачається направляти в теплообмінник, де вони будуть віддавати енергію робочої речовини парової турбіни. Фірма також вивчає можливість створення магнітного конвертора, в якому енергія альфа-частинок буде трансформуватися безпосередньо в електрика.

Читайте також: Як працюватиме двигун на термоядерному синтезі?

Фірма кілька років проводить експерименти на десятиметровому випробувальному стенді З-2, на якому відпрацьовується технологія отримання і злиття плазмоїдів. У минулому році на цій машині вдалося довести час життя вторинного плазмоїда до п’яти мілісекунд, що дуже багато для надгарячої плазми. Передбачається, що в майбутньому реакторі зона термоядерного горіння буде постійного підживлюватися плазмовими вихорами і зможе генерувати енергію стільки часу, скільки буде подаватися паливо. Але до цього поки далеко.

Інші фірми-стартапи йдуть іншими шляхами. У штаті Вашингтон компанія Helion Energy розробляє компактний лінійний реактор на зустрічних пучках, який буде використовувати традиційне термоядереное паливо – дейтерій і тритій. Канадська компанія General Fusion має намір запустити термоядерну реакцію, стискаючи плазмові кільця які швидко обертається оболонці з розплавленого свинцю, так званому лайнері. Їй вдалося зібрати на цю програму 62 млн канадських доларів, а її штат перевищує 60 співробітників. Є ще кілька фірм дрібніше з настільки ж екзотичними проектами. Поки всі вони далекі від своєї кінцевої цілі, проте ж і запуску реактора ITER в кращому випадку доведеться чекати ще 13 років.