Термоядерный реактор на плазменных вихрях от Tri Alpha

Как известно, термоядерная реакция дейтерий-тритиевой смеси будет идти даже при комнатной температуре, только слишком медленно, чтобы это было поводом для интереса. Для достижения промышленного энерговыделения (1-10 мегаватт на метр кубический) нужно создать условия для удержания плазмы с температурой 100-200 млн градусов и плотностью 1...2*10^20 частиц на кубометр. Примерно при таких параметрах система начинает самобалансироваться (в токамаках) — энерговыделение сравнивается с утечками и затратами на подогрев новых порций топлива. Эти экстремальные цифры являются зоной интереса всех разработчиков термоядерных реакторов, а их достижение — задачей уже многодесятилетней разработки концепции управляемого термоядерного синтеза (УТС).

Открытая ловушка ГДЛ ^[1] — одна из многочисленных концепций термоядерного реактора. Она имеет интересное пересечение с сегодняшним рассказом. Источник ^[2].

Как я писал в ликбезе по физике токамаков ^[3], основная проблема такой плазмы — утечка тепла из нее. Решить эту проблему пытаются двумя путями — созданием магнитных ловушек большого объема (главной из которых является ИТЭР), в котором внешний и внутренний нагрев сравняются с охлаждением и в импульсных установках, где сжатая до термоядерных параметров плазма до остывания успевает заметно прореагировать, выделив значительное количество термоядерной энергии. Однако для такого режима плазму надо нагреть еще больше, и сжать еще сильнее (хоть и кратковременно), чем в магнитных ловушках постоянного действия. Однако на этом пути прогресс еще более печален чем с токамаками по причине принципиальной неустойчивости плазмы, которая при сжатии “выскальзывает” из сжимающего поля, и рассеивается, теряя температуру и плотность.

Например одним из самых продвинутых вариантов импульсного УТС является MagLIF ^[4].

В попытках идти по этому пути исследователи в 70х годах обратили внимание на плазменные вихри, называемые FRC (field reversed configuration, конфигурация с обращенным полем), похожие по структуре на кольца табачного дыма.

Плазменный вихрь FRC с вмороженным магнитным полоидальным полем (синий), «самозарождается» в продольном магнитом поле (зеленое).

Они оказались устойчивыми и долгоиграющими образованиями. Ими легко управлять — ускорять, сжимать, сливать и разделять. Более того, они обладали крайне важным преимуществом — давлением собственного вмороженного магнитного поля было близко к давлению плазмы, т.о. конструкция хорошо подходила для легкого достижения высоких параметров температуры и давления. Сейчас, наряду с простейшим самосжимающимся плазменным образованием z-pinch’ем они частые гости в идеях импульсных термоядерных реакторах… Там, где любые другие плазменные образования либо разрушались неустойчивостями, либо просто рассеивались в пространстве в процессе сжатия, FRC обещали ощутимые преимущества.

FRC можно встретить во многих реакторах. Например в Plasma Liner Experement ^[5] от Los Alamos National Laboratory.

В 1997 году в США была предложена концепция Colliding Beam Fusion Reactor (CBFR), импульсной схемы, где два разогнанных плазменных вихря FRC-типа сталкивались и сжимались в центре машины импульсным магнитным полем, образуя плазму достаточной плотности и температуры для зажигания термоядерной реакции. При этом использование FRC гарантировало, что эта плазма проживет в условиях горения термоядерной реакции достаточно, чтобы выделенной энергии слияния хватило на рентабельную работу электростанции, включая затраты на работу самого CBFR. Конечно, если концепция и расчеты авторов были полностью верны.

Так в 90х рисовали 100 мегаваттный генератор на базе двух 50-мегаваттных импульсных реакторов CBFR.

Принцип работы CBFR: на первой стадии формируются 2 FRC которые ускоряются к центру и сжимаются увеличивающимся магнитным полем. Слияние в центре установки дает необходимую плотность и температуру для зажигания термоядерной реакции.

На базе этого концепта сразу появилось несколько стартапов, развивающих идею CBFR. Более успешными в плане сбора денег оказались Helion Energy и Tri Aplha Energy. Первые пытаются сделать реактор на базе D + He3 реакции, декларируя получение на своем прототипе температуры в 5 кЭв, поля в 100 Т и времени жизни в 1 мс. Неизвестна плотность их плазмы, но если предположить частые для таких эксперементов 10^20 частиц на кубометр, то это в 100 раз хуже breakeven (энерговыхода, равного затратам на нагрев и сжатие, без учета затрат на работу установки) для D+T реакции, и примерно в 50000 раз хуже, чем нужно для рабочего реактора. Впрочем, то оборудование, на котором они вроде достигли этих величин, заставляет сомневаться в заявляемых цифрах.

Лабораторная установка Helion.

Однако их конкуренты Tri Alpha (основанные разработчиками концепции CBFR Norman Rostoker и Hendrik Monkhorst) имеют как большие амбиции — использовать самую сложную для термоядерной энергетики реакцию p + B так и больший реактор для воплощения этих идей и 150 сотрудников.

В комнате управления прототипом реактора Tri Alpha.

Преимущество выбранной реакции — отсутствие нейтронов, которые активируют реактор и превращают его в ядерный объект, и неограниченные запасы исходников (в отличие от лития для D+T реакции или фактически отсутствующего на земле гелия-3 для He3+D). Минусом же являются гораздо более (в 60 раз) жесткие условия горения в плазме, и большие проблемы с паразитной гамма-радиацией.

Концептуально TAE использует тот же реактор что и Helion, только в 10 раз больше.

Современное состояние установки. Видны импульсные инжекторы нейтральных частиц (серые бочки вокруг реактора).

Калифорнийцы Tri Alpha подняли уже более 100 млн долларов инвестиций (в т.ч. и от Роснано(!), поэтому одним из членов совета директоров компании является А. Чубайс, а компания размещает заказы на оборудование в России), что позволило им использовать гораздо больший, чем лабораторный масштаб. 23 метровый прототип реактора “С2” чем-то похож на отрытые ловушки ИЯФ (как на первой фотографии) — труба, обмотанная набором соленойдов на краях которой генерируется в FRC-вихри и ускоряясь до 250 км/с сталкиваются в центре.

Внутри центральной камеры С2.

В целом это довольно продвинутая установка, использующая титановые геттеры для получения сверхвысокого вакуума, импульсные мегаваттные инжекторы нейтралов (производства новосибирского ИЯФ ^[6]), создающие нужные профили ионной плотности в реакторе, квадрупольные импульсные электроды для борьбы с кинетическими нестабильностями, множество приборов для диагностики физики происходящих явлений.

Набор диагностических приборов в установке С2.

Таким образом установка приближается к передовым токамакам конца 70х по уровню сложности и решаемых задач, однако в отличие от большой (частично военной) науки, финансируемой государством это полностью частные руки.

Новосибирские импульсные инжекторы нейтралов крупным планом.

В 2015 году Tri Alpha заявляют о том, что за последние годы им удалось в 10 раз поднять время удержания плазмы (до 5 мс), причем время ограничивается длиной импульса системы NBI и теперь они видят четкий путь к установке большого масштаба “С3”, которая будет закончена в 2017 году. В ней планируется достичь уровня, достаточного для breakeven D + T (теоретического, т.к. установка будет работать только на дейтерии, без использования трития) с температурой плазмы в 100 млн градусов (10 кЭв) и временем удержания 1 секунда. На сегодняшний день такой уровень достигнут в двух токамаках — европейском JET и японском JT-60U, однако оба этих проекта стоили не менее миллиарда долларов, и создавались совместными усилиями нескольких государств

Токамак JT-60SA во время разборки. Интересно, что серые колоны слева — тоже инжекторы нейтрального луча, как и в С2.

Дальнейшие планы TAE известны не очень хорошо. Компания вообще не любит публичность (у нее даже нет сайта) Как и в случае реакторов на открытых ловушках в будущем планируется извлекать энергию прямым преобразованием — замедлять ионы и электроны и замыкать их на полюсах специального устройства. КПД и особенно цена такого способа многократно выигрывает у традиционных тепловых турбогенераторных преобразователей. Существуют предложения и по использованию подобных машин в качестве реактивных двигателей ^[7] для космических аппаратов (привет Вивернджет ^[8]!). Пока можно сказать, что из всех альтернативных концепций эта одна из самых многообещающих, однако существующее сегодня гигантское кладбище многообещающих концепций термоядерных реакторов заставляет относится к этому стартапу с известной долей скепсиса. Что ж, буквально через несколько лет мы либо увидим рождение термоядерной энергетики (напомню еще и про General Fusion ^[9]), либо очередной бесславный закат очередного многообещающего стартапа.

Автор: tnenergy

Источник ^[10]