Спасибо, что вы с нами!

Lockheed Martin начала разработку компактного термоядерного реактора

Американская компания Lockheed Martin — известная в первую очередь как поставщик истребителей F-22 и F-35 для ВВС США — 15 октября заявила о разработке компактного термоядерного реактора.
Комментарии
...

На сайте фирмы говорится о постройке первого опытного образца уже через год. Если это окажется правдой, через год мы будем жить в совершенно ином мире.

Термоядерный реактор — это устройство, внутри которого ядра атомов будут сливаться вместе, образуя атомные ядра большей массы. Этот процесс сопровождается выделением энергии и принципиально отличается от реакций, протекающих в ядерных реакторах на АЭС, где, напротив, тяжелые атомные ядра делятся на части и значительная часть этих продуктов деления оказывается радиоактивной. Термоядерные реакции обещают давать исключительно стабильные, то есть не радиоактивные, ядра атомов на выходе, и, как следствие, построенная на основе термоядерной установки электростанция будет сочетать мощь АЭС с экологической чистотой альтернативной энергетики.

Будущее время в абзаце выше употреблено не случайно. За время, прошедшее с открытия термоядерных реакций (а именно они дают энергию всем звездам: Солнце - это естественный термоядерный реактор), ученые и инженеры не смогли построить установку, которая выдавала бы энергии хотя бы не меньше, чем было потрачено для запуска процесса слияния атомных ядер в ней. Над проблемой работали специалисты всех промышленно развитых стран, было разработано несколько перспективных схем термоядерного синтеза, но ни одна из них пока что не дошла до стадии реактора с положительным энерговыделением.

Проблемы

Застревание на стадии опытных установок, которые потребляют намного больше энергии, чем производят, произошло по таким причинам, как:

  • Термоядерные реакции имеют приставку «термо», потому что протекают при очень высокой температуре в десятки, а то и сотни млн градусов. Нагреть исходные материалы для реакции до такой степени весьма сложно, и здесь на помощь приходят либо сверхмощные лазеры, либо нечто вроде гигантской микроволновки с плазменным сгустком внутри. Эту проблему с рядом оговорок решили, но тут же возникли новые.
  • Самый тугоплавкий металл, вольфрам, плавится при трех тысячах градусов. Чтобы реактор не испарил сам себя, плазму, в которой сливаются атомные ядра, надо изолировать от стенок вакуумной прослойкой, и для этого плазму требуется удерживать в одном месте длительное время.
  • Удержание плазмы в одном месте требуется и для того, чтобы она не рассеялась: слияние атомов возможно лишь при определенной плотности плазмы. Задача концентрации плазмы, которая прожигает любой известный материал, была бы нерешаемой в принципе, если бы эта субстанция не обладала магнитными свойствами: при помощи магнитов плазму вполне реально загнать в компактный сгусток... опять-таки с рядом существенных оговорок.

Оптимизм

Lockheed-Martin утверждает, что ее экспериментальное подразделение Skunk works (в некотором смысле — легендарное, про это речь пойдет ниже) сумело придумать некий новый способ сжатия плазмы магнитным полем, и этот способ предполагает одновременно стабильность, простоту реализации и должное сжатие раскаленного облака из дейтерия и трития, двух используемых реактором в качестве топлива изотопов водорода.

Новая конфигурация магнитной ловушки для плазмы дает, по словам представителей компании, не только возможность поджечь термоядерную реакцию как таковую, но и проделать это в сравнительно компактной установке. Возможно, говорят инженеры Lockheed-Martin, такие реакторы влезут даже в широкофюзеляжный самолет, то есть в аэробус или военный бомбардировщик. Можно будет строить передвижные электростанции в нескольких фургонах вместо гигантских блоков ТЭЦ, можно будет смонтировать термоядерную силовую установку на круизном лайнере или нефтяном танкере... Впрочем, нефть в мире поставленного на поток «термояда» будет особо и не нужна.

Дейтерий, один из компонентов термоядерного топлива, содержится в обыкновенной воде. Тритий, ядра атомов которого представляют собой один протон с двумя «лишними» нейтронами (у обычного водорода нейтронов нет, у дейтерия — один нейтрон), сейчас стоит очень дорого, но его можно получать нейтронным облучением лития, элемента, известного всем по аккумуляторам для мобильной техники. Морская вода, в которой есть и дейтерий, и литий, получается практически неиссякаемым источником энергии. А уж морской воды на Земле хватает с избытком. Зачем жечь нефть и зачем закупать углеводороды у стран, которым повезло с их месторождениями?

Скептицизм

Впрочем, перед тем, как говорить про грядущие технологические, экономические и политические (бюджет России более чем наполовину зависит именно от продажи углеводородов) последствия термоядерной революции, стоит все же обрисовать все возможные препятствия.

  • Опытной установки пока нет, а есть концепция, пусть и от ранее хорошо зарекомендовавшей себя фирмы. Skunk works (можно перевести как «скунсовая мастерская», история названия есть в русской Википедии) успешно спроектировала самый быстрый в мире самолет SR-71 и еще с десяток летательных аппаратов, однако в области термоядерной энергетики пока что дальше продвинулись другие группы. В частности, международный проект ITER (Международный экспериментальный термоядерный реактор), строящийся сейчас во Франции обещает дать первую плазму с положительным выходом энергии в 2020-е годы, и он делается совсем иначе. В основе ITER — предложенная еще советскими физиками схема токамака.
  • 20 октября на сайте МIT, Массачусетского технологического института, одного из лучших научно-инженерных центров мира, появилось полное скепсиса сообщение - критический разбор новости от Lockheed-Martin. Представители MIT, которые сами имеют опыт в разработке термоядерных установок, посетовали на недостаток открытой информации и заметили, что представленная общественности схема ранее была опробована другими учеными без каких-либо впечатляющих результатов.
Опрошенные корреспондентом российского новостного издания «Лента.ру» эксперты высказались довольно резко (вероятно, слишком резко). По их словам, Lockheed-Martin скорее привлекает к себе внимание прессы, чем занимается реальными исследованиями. Возможно, внутри крупнейшего производителя вооружений и скрываются какие-то секретные ноу-хау, но пока экспертное сообщество смотрит на проект компактной термоядерной установки скорее скептически.
«Конечно, мы будем рады, если тут возможен настоящий прорыв, но когда кто-то делает столь смелые утверждения, обещает построить меньшую по размерам установку быстрее всех остальных и при этом даже не показывает понимания темы, нам остается только спросить: с чего это они решили, что у них получится? А раз ответов на этот вопрос пока нет, мы настроены крайне скептически», —Ян Хатчинсон, профессор MIT и эксперт в области токамаков.

Неизбежность

Скептицизм по поводу обещаний американской компании не должен умалять значения термоядерной энергетики как таковой. Даже если у Lockheed-Martin ничего не получится, ITER даст плазму в следующие десять лет. За это же время ученые и конструкторы испробуют еще несколько вариантов удержания и разогрева плазмы в других устройствах, попробуют улучшить работу лазерных установок, так что прогресс все равно продолжится.

И пусть не через десять лет, а через сто лет термоядерные реакторы станут одним из основных источников энергии. У них слишком много преимуществ перед всеми остальными способами получать тепло и электроэнергию: высокая мощность, независимость от погоды, экологическая чистота. Ни солнечные батареи, ни ядерные реакторы, ни тем более традиционные ТЭЦ не могут похвастаться подобным сочетанием.

Дополнение первое: как зажечь Солнце на Земле

Пока что есть несколько перспективных схем построения термоядерной установки.

  • Токамак, тороидальная (проще говоря, в виде бублика) камера с магнитными катушками. Внутри "бублика" висит свернутый в кольцо плазменный шнур, его греют микроволновым излучением и магнитным полем — это гигантский гибрид индукционной конфорки, микроволновки и термоса. Термоса, потому что внутри токамака поддерживается вакуум, плазма висит внутри объема с откачанным воздухом.
  • Стелларатор, тот же тор, но свернутый несколько более хитрым образом. В токамаке плазму удерживает взаимодействие протекающего по плазме тока с магнитным полем внешних катушек, а стелларатор обходится только внешними магнитами. Нагрев осуществляется тоже за счет электромагнитного облучения плазмы. Крупнейший стелларатор Wendelstein 7-X сейчас готовят к запуску в Германии.
  • Лазерный термояд. Чтобы не возиться со сложными схемами управления плазменным шнуром, исследователи придумали принципиально иное решение. Термоядерное горючее упаковывают в небольшую сферу, а затем со всех сторон «обстреливают» лазерными импульсами. Сверхмощные лазеры, для которых требуется помещение с футбольное поле, превращают мишень в плазменное облако, которое под давлением света сжимается и разогревается еще сильнее. Впрочем, добиться таким образом положительного выхода энергии пока не удалось, что стало поводом для замораживания работ на крупнейшей американской установке National Ignition Facility.
Дополнение второе: холодный термояд

В 1980-х годах появились сенсационные сообщения о том, что термоядерную реакцию якобы удалось запустить вообще при комнатной температуре. Эти сообщения не удалось подтвердить, и законы ядерной физики говорят о том, что подобные реакции крайне маловероятны: сблизить ядра атомов на достаточное для слияния расстояние без разогрева до десятков млн градусов невозможно.

К теме термоядерных реакций при низких (а несколько тысяч градусов, по меркам ядерной физики, уже очень холодно) температурах с тех пор неоднократно возвращались, но само сочетание «холодный термояд» дискредитировало себя окончательно. Даже те исследователи, которые продолжают заниматься темой, предпочитают теперь термин «низкоэнергетическая реакция слияния». Примером последней сомнительной работы является сообщение итальянского предпринимателя Андреа Росси. Росси уже продает устройства, которые якобы используют термоядерное превращение никеля в кобальт, но наличие у изобретателя в прошлом тюремного срока за мошенничество и отсутствие внятных научных публикаций заставляет серьезно усомниться в «холодном термояде».

Пример «горячих» термоядерных реакций у всех перед глазами: это звезды в целом и Солнце в частности. А вот «холодные» реакции в природе пока не обнаружены, по крайней мере, с положительным энерговыделением. Устройства же, которые могут запустить процесс слияния атомов по вашему желанию, вполне реальны и выпускаются серийно.

Дополнение третье: термоядерный генератор на продажу

Если не задаваться целью получить больше энергии, чем будет вложено в реакцию, термоядерный процесс можно запустить уже сегодня. Причем устройства, которые обращают процессы слияния атомов на пользу, даже продаются серийно. Имея соответствующие лицензии, вы можете купить, например, нейтронный генератор для геологической разведки, лучевой терапии или определения химического состава веществ. Производимые научно-исследовательским институтом автоматики имени Николая Духова устройства работают за счет облучения пучком ионов неподвижной мишени с большим количеством атомов водорода. Ионы, то есть оставшиеся без одного или нескольких электронов атомы, врезаются в мишень, и какая-то их часть подходит к атомам мишени на достаточное для слияния ядер расстояние. Число таких слияний слишком мало для сколько-нибудь заметного выделения энергии, но зато в ходе реакции получается много нейтронов, причем они выделяются только тогда, когда мишень находится под ионным пучком. Простым поворотом выключателя излучение можно прекратить, потому такой нейтронный генератор намного удобнее и безопасней, чем, скажем, урановая или плутониевая болванка.

Некоторые установки с термоядерной плазмой внутри — например, газодинамическая ловушка в новосибирском Институте ядерной физики — тоже не дают положительного энерговыделения, но зато производят мощный поток нейтронов. С его помощью физики могут испытывать на стойкость к нейтронному облучению те материалы, из которых будут строить термоядерные реакторы в будущем.

Комментарии
...