Фізика плазми: нові термоядерні ідеї

12:25 // 2016-06-22 // Технології

Фізика плазми: нові термоядерні ідеї 05.08.2014 <-- Попередня стаття Наступна стаття --> Фізика плазми: нові термоядерні ідеї Зображення: Реактор «General Fusion» буде використовувати масивні поршні, щоб кришити паливо у швидких обертах виру рідкого свинцю. Hubert Kang Photography Для того, щоб дістатися до одного зі найбільш секретних ядерних компаній світу, відвідувачам доведеться пройти околицею крізь квартали офісних будівель, зведених біля підніжжя гір Санта-Ана просто на схід від міста Ірвін, штат Каліфорнія, аж доки вони не вийдуть до великої, проте ніяк не позначеної штаб-квартири «Tri Alpha Energy». Це максимальна межа, до якої вас підпустять без обов’язкового підписання угоди про нерозголошення; «Tri Alpha» настільки суворо охороняє власні секрети, що не має навіть веб-сайту. Проте певна частина інформації все одно просочується, і з неї можна зрозуміти, що у даній будівлі знаходиться один із найбільших експериментів по злиттю ядер, що зараз проходить у США. До того ж, він — один із найбільш нетрадиційних. Замість реактора «токамак» у формі бублика, якому віддавали перевагу протягом понад 40 років, «Tri Alpha» тестує лінійний реактор, що обіцяє бути меншим, простішим і дешевшим — і також зробить енергію від термоядерної реакції комерційною вже за десять років із хвостиком, на відміну від зазвичай прогнозованих для токамаків 30 – 50 років. Проте від самого початку фізики запитували себе, чи можна токамаки зробити такого розміру, щоб отримувати комерційну вихідну потужність. Спершу вони були страхітливо складні. Тороїдальна кімната мала бути обмотана багатьма електромагнітними котушками, що формували магнітне поле для утримування плазми. Ще більше котушок працювало у отворі «бублика», щоб скеровувати потужний електричний струм крізь плазму (див. 'Trapping fusion fire'). Проблеми були і з паливом, сумішшю ізотопів водню дейтерію (Д) та тритію (Т). Часто Д-Т суміш вважали єдиним правильним вибором для таких реакторів, оскільки вона запалювалася за нижчої температури, аніж будь-яке інше поєднання — потрібно було лише 100 мільйонів за Кельвіном — і випускала набагато більше енергії. Проте 80% цієї енергії виходило з реакції у формі прискорених нейтронів, що могло посіяти хаос у стінах ядерного реактора і зробити їх високорадіоактивними. Для того, щоб утворювати електрику, енергію нейтронів потрібно було використовувати для нагрівання води у звичайній паровій турбіні — ефективність такого процесу лише 30-40%. Ціна, складність і повільний прогрес також стали постійними супутниками інерційно-термоядерного синтезу, найбільш відомої альтернативи магнітного утримання у токамаках. Такий підхід, де заморожені плитки палива вибухали під дією високоенергетичних лазерних променів також отримав значне фінансування від уряду. Проте, не зважаючи на десятки років, покладених на інерційне утримання, таким ініціативам, як Національний комплекс лазерних термоядерних реакцій (National Ignition Facility - NIF) у Національній лабораторії ім. Лоуренса Лівермора в Каліфорнії, досі важко виконати свої обіцянки (див. Nature 491, 159; 2012). Радикальний підхід Подібні негаразди викликали певне пожвавлення інтересу до стелларатора: тороїдального приладу, який спрощує деякі аспекти токамаку, проте для нього потрібні складніші магніти. Але більшість мейнстримових фізиків плазми просто відклали питання практичної інженерії на потім, припускаючи, що покращення з’являться тоді, коли розроблять фізику плазми. Індивідуалісти від термоядерного синтезу залишилися серед жменьки тих, хто закликає до більш радикальних рішень: спершу потрібно розібратися із інженерією, розробивши простий і недорогий реактор, який міг би привабити сучасні енергетичні компанії, а потім уже намагатися приборкати поведінку плазми. Одним із таких «вискочок» є Норман Ростокер, фізик із Університету Каліфорнії в Ірвіні, який у 1998 році став одним зі співзасновників «Tri Alpha» (на той час йому виповнилося вже 72 роки). Він та його колеги запропонували відійти від Д-Т палива і перейти до злиття протонів у бороні-11, стабільному ізотопі, що складається на 80% із природного борона. Щоб це паливо p–11B загорілося, необхідно було досягти температури майже у мільярд градусів за Кельвіном, тобто приблизно у 100 разів гарячіше за ядро нашого Сонця. А енергія, утворювана у кожному випадку злиття, становитиме лише половину від вивільненої у Д-Т. Проте продукти реакції будуть практично вільними від небажаних нейтронів: злиття утворюватиме лише три енергетичні ядра гелію, також відомі як альфа-частинки. Вони мають заряд, тож їх можна буде спрямовувати магнітними полями у «звоторний циклотрон», що буде перетворювати їх енергію на звичайний електричний струм із ефективністю майже у 90%. Про спалювання плазми p–11B при температурі у мільярд кельвінів у токамаку не могло бути і мови, і не лише через те, що для цього знадобилися б недосяжно великі магнітні поля. Тож Ростокер та його колеги розробили лінійний реактор, схожий на дві гармати, спрямовані одна на одну. Кожна із цих гармат може вистрілювати кільцями плазми, що звуться плазмоїдами і відомі своєю надзвичайною стабільністю: потік іонів у плазмі буде утворювати магнітне поле, що у відповідь утримуватиме плазму. «Це найбільш ідеальна конфігурація, яку лиш можна уявити»,— каже Алан Гофман, фізик плазми із Університету Вашингтона у Сієтлі. Для того, щоб запустити реактор, кожна гармата повинна вистрілити плазмоїдом у центральний відсік, де два кільця поєднаються у більший плазмоїд, який житиме доти, доки його підживлюватиме додаткова енергія. Вивільнені реакцією альфа-частинки будуть спрямовані назад крізь гармати іншим магнітним полем і вловлюватимуться конвертором енергії. На час публікації концепту у 1997 році, стало зрозуміло, що Міністерство енергетики США не буде фінансувати розробку такого приладу, а натомість зосередить усю свою увагу на токамаках, які здавалися безпечнішою ставкою. «Великі експерименти завжди фінансуються десятиліттями, тож у них мало шансів не досягти своїх цілей,— каже Джон Слауф, фізик плазми із Університету Вашингтона.— Якщо вони почнуть фінансувати різні альтернативні варіанти, повернеться невизначеність». Тож Ростокер та його колеги вирішили скористатися перевагами американської культури хай-тек стартапів та фінансування венчурним капіталом. Вони заснували компанію, назвавши її «Tri Alpha» на честь продукту реакції p–11B, і почали шукати достатньо інвестицій, які дозволили б їм залучити до роботи понад 100 людей. Дін вважає, що стартапне мислення може пояснити, чому «Tri Alpha» настільки секретна. «Це частина містики бути компанією, яка фінансується венчурним капіталом: розроби свої ідеї раніше, аніж хтось інший їх побачить»,— каже він. Проте протягом останніх п’яти років компанія почала дозволяти своїм співробітникам публікувати результати і представляти їх на конференціях. На своїй поточній тестовій установці, десятиметровому приладі С-2, «Tri Alpha» показала, що призначені до зіткнення плазмоїди утворюються так, як і очікувалося, і що вогняна куля може підтримувати сама себе протягом 4 мілісекунд — неймовірно довго за стандартами фізики плазми — саме стільки, скільки подаються промені палива. Минулого року дослідник «Tri Alpha» Хоуянг Гуо анонсував під час конференції з питань фізики плазми у Форт-Ворті, штат Техас, що тривалість горіння зросла до 5 мілісекунд. Зараз компанія шукає гроші на зведення більшого приладу. «Як наукова програма, вона надзвичайно успішна»,— каже Хоффман; він робив огляд роботи для Аллена, коли мільярдер вирішував, куди вкладати інвестиції. «Проте, це не p–11B». Наразі, каже він, «Tri Alpha» запускала свій С-2 лише на дейтерії, і до досягнення екстремальних умов плазми, необхідних для спалення визначеного дослідниками палива, ще дуже далеко. Не показала «Tri Alpha» і прямого перетворення альфа-частинок на електричний струм. «Я не бачив жодних схем, які би на практиці справді працювали»,— каже Мартін Грінволд, фізик із МТІ та колишній голова консультативного комітету з питань енергії термоядерного синтезу Міністерства енергетики. Дійсно, у планах «Tri Alpha» використовувати свій ядерний реактор першого покоління разом із більш звичною паровою турбіною. Іншим підприємцям термоядерної фізики доведеться стикнутися із подібними проблемами, проте це не відвертає їх. Слауф — головний науковий співробітник у «Helion Energy», Редмонд, штат Вашингтон, розробляє настільки мініатюрний лінійний реактор на зустрічних пучках, що його можна буде перевозити на вантажівці. Реактор від «Helion» буде вистрілювати постійним пучком плазмоїдів з усіх боків у камеру, де паливо буде перемелюватися магнітними полями доти, доки не почнеться термоядерний синтез. За секунду продукти синтезу будуть відведені убік і в камеру увірветься новий пучок плазмоїдів. «Нам подобається проводити аналогію із дизельним двигуном,— каже виконавчий директор компанії Девід Кіртлі.— На кожен такт ви вводите паливо, стискаєте його поршнем доти, доки воно не загориться без іскри, а вибух виводить поршень у вихідне положення». «Helion» показав концепт на Д-Д реакторі з плазмоїдами, які вистрілюють раз на три хвилини, і зараз шукає 15 млн. дол. приватного фінансування протягом наступних п’яти років, щоб розробити повномасштабний прилад, де можна буде використовувати Д-Т паливо і досягти найвищого в історії показника, коли реактор утворює стільки ж енергії, скільки і споживає. Компанія сподівається, що її реактор із часом зможе досягти і більш гарячих умов, необхідних для спалювання дейтерію із гелієм-3, іншим поєднанням, що видає лише альфа-частинки і протони і жодних нейтронів як побічний продукт. Кіртлі доволі оптимістично налаштований у питанні грошей. «Наразі існує гігантська ринкова потреба у дешевій, безпечній і чистій енергії,— каже він.— Тож ми бачимо великий поштовх у спільноті приватних інвестицій до фінансування альтернативних способів її утворювати». А якщо збір коштів пройде успішно, каже Кіртлі, «ми плануємо запустити наш перший пілотний завод протягом шести років». Кружляємо, кружляємо Інші альтернативні концепції притримуються Д-Т палива, але по-різному утримують його. У Барнебі, Канада, дослідники із «General Fusion» розробили реактор, у якому плазмоїд із Д-Т буде вистрілюватися у вир рідкого свинцю, який після цього розвертатимуть у протилежний бік цілим лісом поршнів. Якщо така компресія відбудеться за мікросекунди, плазма вибухне і утворить умови для злиття ядер. Одна із переваг такого дизайну в тому, що рідкий свинець не розпадається, коли його піддають дії нейтронів, каже Мішель Лабердж, засновник «General Fusion» у 2002 році. «General Fusion» продемонстрував свою ідею на приладі зменшеного масштабу, використовуючи поршні на вибухівці, і отримав майже 50 млн. дол. від венчурних капіталістів та канадського уряду. Якщо компанія зможе знайти ще десь 25 млн. дол., каже Лаберж, то побудує більшу вибухову систему, яка зможе стискати плазму до потрібного для термоядерного синтезу рівня — можливо, у найближчі два роки. Незважаючи на такий оптимізм, Дін очікує, що знадобиться ще принаймні десять років, а може і набагато більше, доки будь-яка альтернативна компанія термоядерного синтезу зможе побудувати працюючу електростанцію. Просто потрібно показати набагато більше нових технологій, каже він. «Я вважаю, що ці речі добре умотивовані і їх потрібно підтримувати — проте я не думаю. Що ми знаходимося на межі прориву». Зараз незрозуміло, якою буде підтримка від Міністерства енергетики США в осяжному майбутньому. Програма Міністерства по термоядерній енергетиці дала трошки грошей «Helion», а також деяким дрібномасштабним академічним роботам з альтернативних реакторів. А фінансове агентство «Advanced Research Projects Agency—Energy» висловило зацікавлення до деяких альтернативних концептів і навіть провело минулого року семінар. Консультативний комітет з питань енергії термоядерного синтезу готує десятилітній план досліджень, який повинен розпочатися наступного року, що може призвести до більшої підтримки нових ідей. Проте фінансування дуже мляве, а «ITER» продовжує висмоктувати значну його частину. Наразі великі гроші можуть надійти від приватного сектору. І не зважаючи на значні технічні перепони, схоже, що інвестори хочуть скористатися цим шансом. «Люди починають думати – агов, певне є й інший спосіб робити це! — каже Слауф.— Може, пошуки відповіді, варті кількох мільйонів». Це звучить напрочуд привабливо у часи, коли передовий світовий проект зі злиття ядер, гігантський токамак «ITER», загруз у затримках та перевитратах коштів. Вважалося, що ця установка, побудована у Кадараші, Франція, стане першим термоядерним реактором, здатним утворювати надлишок енергії від постійного спалювання плазмового палива. Проте, схоже, що він буде коштувати аж 50 млрд. дол. США — тобто у десять разів більше за попередні оцінки — і не зможе проводити перші експерименти із паливом до 2027 року, на 11 років відстаючи від графіку. Оскільки «ITER» поглинає левову частину бюджету США на розвиток термоядерної енергетики, любителі альтернативних підходів отримують від уряду мізерну підтримку. Проте дедалі більше нетерпіння до технології токамаку стимулювало розвиток інакших підходів для команди «Tri Alpha» та багатьох інших фізиків у США і Канаді. За минулі десять із половиною років, ці індивідуалісти відкрили принаймні півдюжини компаній по розробці альтернативних проектів термоядерних реакторів. Дехто доповідає про вельми обнадійливі результати, не кажучи вже про залучення доволі серйозних інвестицій. «Tri Alpha» отримала 150 мільйонів доларів від «уподобань» співзасновника компанії «Microsoft» Пола Аллена та венчурної фірми російського уряду «Роснано». Проте цей успіх притягує і дедалі більше уваги до сміливих обіцянок. Компанії «Tri Alpha» «довелося подолати доволі непрості проблеми, коли вона почала змінювати розмір реактора», каже Джефрі Фрейдберг, ядерний фізик із Масачусетського технологічного інституту (МТІ) у Кембриджі. Наприклад, компанія повинна була довести, що може отримати температуру у мільярди кельвінів, потрібні для спалювання екзотичного палива, яке хотіла використовувати, а також мала продемонструвати практичний спосіб перетворювати вихідну енергію у електрику. Подібні питання можна поставити і до інших новостворених компаній, каже Стівен Дін, голова «Fusion Power Associates», групи інтересів у Гейтесберзі, Меріленд. «Навряд чи ви зможете чесно сказати, що хоч якась із цих речей зараз знаходиться на тому етапі, коли термоядерну реакцію можна продемонструвати швидко»,— каже він. Чи зможуть альтернативні термоядерні компанії підтримати свій прогрес і втілити сподівання фундаторів? Чи вони «лопнуть», як і багато термоядерних мрій до них? Прямуй за Сонцем В основному, побудувати термоядерний реактор — це лише спроба імітувати Сонце. Візьміть підходящі ізотопи водню чи іншого легкого елементу, підігрійте, щоб відірвати електрони від ядра і утворити іонізовану плазму, а потім стисніть цю плазму та трохи потримайте її так, щоб ядра могли злитися і перетворити частину своєї маси на енергію. Проте, на практиці, спроби відтворити зіркові процеси призводять до жахливих інженерних проблем: наприклад, гаряча плазма у пастці магнітного поля хоче скрутитися і стає схожою на розлючену змію, яка щосили намагається втекти. Дослідники термоядерного синтезу доволі довго віддавали перевагу токамакам як найкращому способу утримувати цю плазмову бестію. Розроблені радянськими науковцями у 1950-х і представлені Західному світу десять років потому, у цих реакторах можна було досягти щільності, температури і утримування плазми у багато разів більших за усі попередні прилади. А після того, як фізики удосконалили дизайн, у токамаках стало можливим утримувати високоенергетичну плазму.