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 симуляция выявила, 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.
