Подход Генриха Хора — один из многих, предложенных для получения термоядерной энергии и находящихся на разных стадиях разработки. Я не собираюсь отдавать предпочтение одной идее, но описание чрезвычайно многообещающей концепции Хора — отличный способ познакомить читателей с некоторыми из самых захватывающих областей науки и технологий сегодняшнего дня.
В идеале читатели должны быть знакомы с предыдущими статьями этой серии и следующими частями головоломки:
1. Реакция между ядром водорода и одним ядром бора дает три ядра гелия (альфа-частицы), которые покидают место реакции с высокими скоростями. Тот факт, что альфа-частицы являются заряженными частицами, каждая из которых несет две единицы положительного заряда, обеспечивает возможность преобразования их энергии движения непосредственно в электрическую (см. Часть 2).
2. Достижение синтеза водорода с бором представляет собой огромную трудность. Если для этого использовать тепло, то требуемые температуры лежат в диапазоне миллиардов градусов; вероятность реакции («сечение» реакции) низкая; чрезвычайно высокие плотности (или очень длительное время удержания) требуются для того, чтобы зажечь водородно-борное топливо и получить достаточную степень его «выгорания» (см. Часть 2).
3. Чтобы вызвать «микровзрывы» крошечных гранул водородно-борного топлива используются лазеры. Водородно-борная электростанция будет работать в импульсном режиме, генерируя один микровзрыв в секунду (или несколько секунд) во взрывной камере, оборудованной для извлечения электроэнергии из возникающих всплесков альфа-частиц путем их замедления в электрическом поле.
4. Уроки, извлеченные из полувековых попыток реализовать термоядерную энергию с помощью «микровзрывов», запускаемых лазером, в соответствии с парадигмой, унаследованной от разработки первой водородной бомбы. Этот подход предполагает сжатие и нагрев сферической топливной таблетки путем ударов по ней со всех сторон одновременными лазерными импульсами. К сожалению, нестабильность имеет тенденцию развиваться в плазме, создаваемой при нагревании топлива, что мешает процессу сжатия и воспламенения (см. Часть 3).
5. Один из подходов состоит в том, чтобы «обойти» нестабильность, оперируя временными рамками процесса, который должен быть намного короче времени, необходимого для развития нестабильности.
6. Теоретические предсказания и экспериментальные подтверждения существования «пондеромоторных» (ускоряющих) сил, возникающих в материале мишени под действием интенсивных импульсов лазерного света, эффекты которых радикально отличаются от эффектов, вызываемых одним лишь нагревом. Чем короче и «чище» лазерные импульсы, тем сильнее эти пондеромоторные силы доминируют в сцене по сравнению с тепловыми эффектами. Расчеты показывают, что при определенных условиях сверхкороткие и сверхмощные лазерные импульсы разгонят макроскопические «блоки» плазмы до огромных скоростей (см. Часть 5)
8. В 1985 году изобретение усиления чирпированных импульсов (УЧИ) позволило усилить лазерные импульсы до огромной мощности. Затем были разработаны лазеры с мощностью в диапазоне петаватт (миллион миллиардов ватт) и длительностью импульса от пикосекунды до фемтосекунды (см. Часть 4).
9. Феномен «ускорения плазменного блока» был экспериментально получен в 1996 году, что было неоднократно подтверждено в более поздних экспериментах (см. Часть 5).
10. Расчеты показали, что воспламенение водородно-борного ядерного синтеза может быть гораздо легче получено при использовании одиночного лазерного импульса, сфокусированного на одном конце цилиндрической топливной таблетки, чем при классическим методом сферической имплозии. Плазменный блок, ускоряющийся до огромных скоростей в топливном материале, действует как сжимающий поршень, а также — де-факто — как пучок нейтрализованных частиц с плотностями тока, в миллион раз выше достигаемой с помощью обычных ускорителей частиц. (см. Часть 5)
Нетепловое зажигание ядерной реакции H+B11
11. Успешная экспериментальная генерация большого числа (миллиардов или более) реакций синтеза водород-бор происходила при облучении топливной мишени одним мощным лазерным импульсом (см. Часть 5).
Заимствование из термоядерного синтеза с магнитным удержанием
Нам не хватает ещё одного важного элемента, прежде чем мы сможем приступить к созданию прототипа водородно-борного реактора.
Предлагаемая установка, в которой в основание цилиндрической топливной таблетки попадает одиночный лазерный импульс, имеет серьезное слабое место: ничто не препятствует расширению топлива радиально наружу во время процесса воспламенения топлива. Это приведет к падению плотности топлива, что предотвратит эффективное выгорание топлива. Вместо полного микровзрыва мы можем получить «пшик».
Чтобы решить эту проблему, Хора заимствует базовый принцип из так называемого термоядерного синтеза с магнитным удержанием — главного конкурента лазерного термоядерного синтеза. Достаточно мощное магнитное поле, направленное параллельно оси цилиндра, может противодействовать тенденции горящего топлива к расширению, ограничивая его на короткий момент, необходимый для распространения волны термоядерного горения до дальнего конца цилиндра.
Термоядерный синтез с магнитным удержанием использует тот факт, что заряженные частицы при движении в мощном магнитном поле испытывают силы, заставляющие их вращаться по спирали вокруг силовых линий магнитного поля. Таким образом, плазма захватывается магнитным полем.
В действительности ситуация осложняется — как это обычно бывает в области физики плазмы — тем фактом, что плазма генерирует свои собственные магнитные поля и может препятствовать попыткам удержать её в «магнитных бутылках».
Столкнувшись с таким нехорошим поведением плазмы, исследования термоядерного синтеза с магнитным удержанием подтолкнули исследователей к все созданию более высокой напряженности магнитного поля. Для гигантского Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), строящегося в Кадараше (Франция), требуется 10 тыс. тонн гигантских сверхпроводящих магнитов, чтобы удерживать плазму в тороидальной камере радиусом 6 метров.
Магнитная система ИТЭР
Магниты ИТЭР предназначены для создания магнитного поля силой 10−12 тесла, что примерно в шесть раз превышает напряженность полей, используемых в аппаратах для получения изображений ядерного магнитного резонанса (МРТ), используемых в больницах.
Напротив, радиальное ограничение горящего топливного цилиндра в предлагаемом реакторе Хоры потребует магнитных полей более 1000 Тесла, в сто раз сильнее, чем у ИТЭР, хотя и в чрезвычайно маленьком объеме. По крайней мере, так показывают расчеты.
Как создать сверхсильное магнитное поле?
В 2012 году исследовательской группе Синсуке Фудзиока из Института лазерной техники в Осаке, Япония, удалось создать поля еще большей интенсивности с помощью простого метода с использованием лазерных импульсов. Для этой цели они использовали лазер Gekko XII, созданный для проведения экспериментов по лазерному синтезу. Лазер давал короткий (одна наносекунда) импульс мощностью около 10 трлн ватт.
Установка Фудзиоки состоит из двух параллельных металлических пластин, соединенных отрезком проволоки, имеющей форму петли. Одна из пластин имеет маленькое круглое отверстие, через которое лазерный импульс может освещать небольшую область на противоположной поверхности второй пластины (используются две петли вместо одной, и добавляется топливная таблетка, как показано на схеме ниже).
Когда интенсивный лазерный импульс Gekko XII попадает на нижнюю пластину, он немедленно превращает внешние слои металла в плазму. Электроны отрываются от ядер и быстро ускоряются до скоростей, близких к скорости света (так называемые «горячие электроны»).
Огромное количество этих электронов пролетает через зазор между пластинами конденсатора и приземляется на верхнюю пластину, придавая ей высокий отрицательный заряд. На короткое время остаются позади положительно заряженные ядра, которые намного массивнее электронов и гораздо медленнее реагируют.
Между верхней и нижней пластинами возникает огромная разница электрических потенциалов. Это порождает электрический ток в проводе. Петля в проводе действует как одновитковая катушка, генерируя сверхсильный импульс магнитного поля. Японские исследователи измерили напряженность поля в 1500 тесла, что более чем достаточно для требований Хоры.
Пора строить термоядерный водородно-борный реактор
(Опять же, я говорю о концептуальном дизайне, не более того, в духе идей Генриха Хоры, как я его понимаю. Заинтересованные читатели могут ознакомиться с его заявкой на патент в США, выданной в сентябре 2019 года).
Реактор вырабатывает энергию в виде регулярно повторяющихся микровзрывов внутри взрывной камеры. Частота «выстрелов» может составлять примерно один выстрел в секунду для коммерческой версии, больше для прототипа.
Водородно-борная тепловыделяющая сборка (слева). Взрывная камера водородно-борного реактора с ТВС. Иллюстрация Генриха Хоры
Каждый микровзрыв дает около одного гигаджоуля энергии, что эквивалентно 280 кВтч. При одном «выстреле» в секунду это даст среднюю полную мощность 1 ГВт. Предполагая высокую эффективность преобразования (см. рисунок ниже), мы получили бы выход электроэнергии, сопоставимый с современными атомными электростанциями. Предполагается, что прототип будет иметь более низкую частоту импульсов и соответственно меньшую выходную мощность.
Топливо для микровзрывов имеет форму длинных и тонких цилиндров диаметром примерно 0,2 мм и длиной 10 мм, каждый из которых содержит примерно 14 мг водорода и бора. Топливный цилиндр подвешен в небольшой сборке с двумя обкладками конденсатора, соединенными двумя токопроводящими петлями, как показано на схеме. Их цель — создать мощное магнитное поле, параллельное цилиндрической оси, в момент воспламенения микровзрыва, как это продемонстрировали Фудзиока с соавторами.
Каждый микровзрыв генерируется с помощью пары точно синхронизированных, почти одновременных ультракоротких импульсов от двух лазеров (предположительно, объединенных в одну систему).
Импульс от лазера 1 (см. схему выше) генерирует мощное магнитное поле в 1000 тесла, параллельное оси цилиндра. Импульс от лазера 2, сфокусированный на одном конце топливного цилиндра, запускает водород-борную реакцию и вызывает «волну горения», которая распространяется до противоположного конца. Магнитное поле гарантирует, что плазма не будет сильно расширяться до полного выгорания.
Взрывная камера, в которой поддерживается высокий вакуум, имеет диаметр около одного метра и рассчитана на то, чтобы выдерживать силу микровзрывов, каждый из которых соответствует примерно пяти граммам в тротиловом эквиваленте. В камере есть отверстия для входа двух лазерных лучей и для замены использованных и новых топливных сборок. Он подключен к высоковольтной системе, используемой для извлечения энергии альфа-частиц.
Производство электроэнергии за счет микровзрывов водорода и бора в принципе относительно несложно. Поток положительно заряженных альфа-частиц, испускаемый микровзрывом в центре камеры, генерирует мощный импульс тока, который может быть получен с помощью хорошо отработанной технологии для систем передачи электроэнергии постоянного тока сверхвысокого напряжения. Затем импульс постоянного тока преобразуется в переменный ток.
Сколько это будет стоить?
По оценкам Хора, рабочий прототип его водородно-борного реактора можно построить примерно за $100 млн. Хотя он признает, что стоимость звучит почти подозрительно, самой большой ценой будет лазерная система, аналогичная тем, которые уже используются в различных лабораториях. Эти установки уже имеют приблизительную мощность и длительность импульса, требуемые для реактора Хора.
Японский Gekko XII — одна из таких устройств. Еще одна лазерная установка, подходящая для воспламенения топлива, — это PETawatt Aquitaine Laser (PETAL) в Бордо, Франция. Этот объект был введен в эксплуатацию в 2015 году, и его строительство обошлось примерно в $55 млн.
Стоимость реактора, изготовленного по индивидуальному заказу, может быть значительно ниже, поскольку PETAL — это единственная в своем роде установка, предназначенная для выполнения множества различных задач.
Еще одна важная проблема, которую потребуется решить: Gekko XII и PETAL требуют значительной задержки между импульсами — до часа и более. Достижение более высокой частоты следования импульсов для таких лазерных систем — серьезная технологическая задача, которая уже является предметом многих международных исследований для различных приложений.
Это будет работать?
На данный момент перспективы выглядят неплохо. Однако, как подчеркивает Хора, необходимо решить ряд вопросов, чтобы убедиться в отсутствии непредвиденных препятствий и получить более точные параметры конструкции реактора. К счастью, необходимые экспериментальные исследования и расчеты не требуют вложений в новое оборудование и ноу-хау. Они уже доступны в лабораториях по всему миру. Это значительно снижает стоимость и риски на этапе подготовки к созданию первого прототипа. Приоритетом для компании Генриха Хоры HB11 Energy является сбор необходимых средств и распределение задач среди подходящих исследовательских групп.
Если все это сработает, мы можем приблизиться к золотому веку рентабельного производства электроэнергии.
Продолжение следует…