Люди схильні давати прогнози екстраполюючи наявний досвід. У разі спроб створення комерційної термоядерної електростанції досвід негативний - 60 років зусиль привели до половинчастих успіху - щось є, але це явно не те що можна використовувати кожен день для отримання електроенергії. Інтуїція підказує, що якщо за 60 років ми не подолали цю стіну, то і в майбутньому чогось хорошого чекати не варто.

Творці першого в світі токамака Т-1 Арцимовіч, Явлінський теж обіцяли електростанції через 20 років

І дарма. Тому що сума технологій і знань безперервно зростає, в тому числі про плазму і її утриманні. У якийсь момент наших знань стане досить, що б в звичайному і рутинному процесі інвестування в розвиток технології, без особливих подвигів, термоядерна енергетика стала можливою.

Ось, наприклад, рутинний приклад роботи на установці C-2U фірми Tri Alpha Energy

На шляху до цього «можливо» сьогодні багато в чому стоять психологічні бар'єри. Занадто часто розробники термоядерних реакторів стикалися з непередбачуваністю, завищеними оцінками, новими неприємними фактами з області фізики плазми. Занадто часто шлях боротьби з цими фактами заводив концепцію в економічний глухий кут, коли до простої спочатку машині прикручувати два десятка інженерних чудес, а що виходить в результаті установка сама ставала рекордним рішенням, в якому не залишалося місця для «зручності експлуатації», «надійності», « дешевизни ».

Розкішний новий постер з розрізом ІТЕР натякає на глибину ж ** и проблеми з складністю термоядерних установок

На цьому тлі дуже складно взяти на себе відповідальність за рішення майбутніх, ще невідомих проблем і постулювати, що термоядерний реактор можна побудувати, навіть якщо фізика та інженерія вперше запалюють зелене світло. Що, якщо при зростанні розмірів реактора відкриється новий неприємний тип нестійкості? Що якщо економіка вчорашніх геніальних інженерних знахідок, які дозволяють зробити реактор, виявиться нижче плінтуса? Що якщо матеріали термоядерного реактора при збільшенні тривалості роботи з 10 до 31000000 секунди не будуть витримувати?

Офіційні плани Європи навіть в дуже оптимістичному вигляді обіцяють прототип термоядерної електростанції до 2050 року. Чи можливі варіанти, що хтось це зробить раніше?

На сьогодні, до будівництва термоядерних електростанцій психологічно ближче всіх знаходиться каліфорнійська компанія Tri Alpha Energy (TAE). Тут команда з 150 чоловік, серед яких багато іменитих фізиків-плазмістов поставлена ​​в умови, коли вони повинні кожні 2-3 роки показувати нове досягнення в загальній канві руху до комерційної термоядерної електростанції. Фактично, їм поставлено план по відкриттях в області фізики плазми. Зворотною стороною такого тиску є божевільний темп втілення ідей вчених - свою немаленьку експериментальну установку Tri Alpha легко апгрейдити за місяць після появи нових ідей - порівняйте з роками для університетських і академічних установок.

Кумедне відео від TAE - відновлення картини того, що відбувається з плазмою в установці C-2U. Зверніть увагу на таймер зверху зліва - стає зрозумілим, що протримати плазму без розпаду 8000 мікросекунд (поточний рекорд) - це досить довго.

Ідея, що лежить в основі реактора TAE - використовувати плазмові вихори (звані FRC - Field Reversed Configuration), які мають властивість самоудержанія і ще деякими перевагами, з підтриманням їх стабільності за допомогою інжекторів нейтральних пучків, досить свіжа - родом з середини 90. У всякому разі це новіше, ніж ідеї токамака, стелараторі або класичної відкритої пастки. FRC мають досить незвичайним набором властивостей, що в такому реакторі зручно виявляється використовувати термоядерну реакцію H1 + B11 = 3 * He4 (p тут - звичайний водень, B11 - найпоширеніший ізотоп бору, а He4 - вилітають альфа частинки, звідки і пішла назва компанії Три Альфа). Парадоксально тут те, що це одна з найбільш важко досяжних варіантів термоядерної реакції - вона вимагає температур в 15 разів вище, ніж у «класичного» дейтерій-тритію, а значить і в 15 разів більшого тиску магнітного поля для утримання і більш жорстких вимог по чистоті плазми.

Швидкість різних термоядерних реакцій при однаковій щільності в залежності від температури. Зверніть увагу, що шкала зліва - логарифмічна. При температурі 320 кеВ pB11 майже не відрізняється від DHe3 і всього в кілька разів повільніше класичної DT

Однак FRC дозволяють використовувати практично всю величину тиску магнітного поля, на відміну від токамаков, де можна використовувати тільки 10%. Є у pB11 і плюси - обидва компонента широко поширені і безпечні (на відміну від радіоактивного тритію і ізотопу гелію He3, неіснуючих на Землі, причому якщо тритій можна хоча б отримувати з літію, то He3 - тільки добувати десь в космосі), а крім того реакція не дає потужного нейтронного випромінювання. Для реактора на DT нейтронне випромінювання, несучі 86% енергії термоядерної реакції буде справжнім бичем, швидко руйнує і активує конструкційні матеріали. Для pB11 потужність нейтронів буде ~ 0,1% потужності реактора через побічні реакції.

Сам FRC влаштований схематично так - плазма в зовнішньому поздовжньому полі завихряется у вигляді циліндра і власним полем утримує саму себе. Така конфігурація схильна швидко руйнуватися, але засновник TAE запропонував ідею, яким чином це утворення можна підтримувати, а команда TAE довела її правильність.

Зазвичай плазмісти більше звертають увагу на граничну складність отримання параметрів плазми, потрібних для pB11, ніж на істотні економічні плюси цієї реакції. Тритій і нейтрони в реакторі - це величезне обтяження, кратно здорожує і ускладнює концепт реактора, правда боротися з цими складнощами вже не фізикам. З іншого боку можливий варіант на реакції D + He3 - практично теж анейтронний (потужність нейтронів - 1-4% від потужності реактора) страждає від необхідності паралельно електростанціям будувати і інфраструктуру з видобутку гелія3, сьогодні малопредставімое заняття (наприклад його можна добувати в атмосфері Урана, як вам такий варіант? Хоча хтось буде незадоволений, що в результаті ми не возимо паливо з Урана).

Для інвесторів TAE вже малює попередній вигляд термоядерного реактора потужністю 380 мегават (електричних). Плани - побудувати п'ятдесят таких електростанцій в 2030х роках

Водень і Бор-11 ж більш доступні, ніж паливо ядерної енергетики - уран 235 або плутоній-239.

Tri Alpha, зібравши фахівців рівня кращих світових центрів вивчення термоядерної плазми, рухається дуже швидко. Тільки в 2015 році було показано, що FRC вихори способи підтримуватися, що не розпадаючись, за допомогою потужних дотичних пучків нейтральних частинок - одне з ключових тверджень засновника компанії фізика Нормана Ростокера. І ось вони будують вже нову установку, де має бути досягнуто 30-кратне збільшення потрійного параметра (твір щільності, температури і часу утримання - основні властивості, що визначають Енерговихід термоядерної реакції) плазми. Якщо TAE знову чекатиме успіх, то ця установка дозволить намацати так званий скейлинг - емпіричну залежність потрійного параметра від характеристик установки (розмірів, магнітного поля, потужності інжекторів нейтралів і т.п.). А скейлинг, в свою чергу, вже дозволить з високою точністю визначити - чи можна дійсно зробити реактор на базі ідеї Tri Alpha, або він виявиться недосяжний.

Машина, що збирається TAE зараз - C2W, буде обладнана 8 інжекторами нейтрального пучка ІЯФ, і здатна утримувати FRC з температурою 1-3 кеВ і термоядерної щільністю на протязі ~ 30 мілісекунд, можливість роботи з водневої, дейтерієвої і борної плазмою.

А це - далекі плани, завершальні установки лінійки, вже з термоядерним виходом. Q тут один з найскладніших для pB11 параметрів - відношення термоядерного виходу до підігріву.

Цікаво, що на цьому шляху природа, часом, підкидає не тільки складності, але і подарунки. Наприклад, у всіх підручниках написано, що термоядерна реакція водень-бор (p + B11 -> He4 + He4 + He4) в оптично прозорою плазмі завжди буде втрачати більше енергії, ніж виділяти, тобто для її підтримки потрібен зовнішній підігрів - шлях в ідеальному випадку і досить невеликий ~ 15% від потужності термоядерного реактора. Ця неприємна характеристика pB11 досить легко обчислюється з перетину (ймовірності) реакції при зіткненні протона і іона бору і розрахунку електромагнітних втрат при розсіянні гарячих електронів (а pB11 вимагає в 20 разів більшої температури, ніж ІТЕРовская реакція D + T-> He + n). Так ось, нові, більш точні вимірювання перерізу реакції pB11 показали, що перетин вище, ніж думали раніше. При певних температурах за новими даними термоядерний синтез на цій реакції виділяє більше енергії, ніж втрачається! Цікаво бачити, як переписуються підручники фізики.

Нові значення перетинів реакції pB11 в залежності від температури (червоні).

І дивовижний момент, коли треба переписувати підручники фізики - якщо раніше (синій пунктир) Енерговихід реакції був нижче втрат (червона лінія) навіть в теоретичному варіанті, то тепер - приблизно дорівнює (синия лінія), і навіть трохи більше.

Втім, відстань, яку треба подолати Tri Alpha ще дуже велике - навіть якщо скейлінг точні, необхідно підвищити якість утримання в сотні разів - тиск магнітного поля, потужність і час роботи NBI і всіх інших систем. Команда TAE цілком може зіткнутися з типовою проблемою термоядерних установок - вони стають занадто великими, складними, і рухаються занадто повільно на шляху до комерційних реакторів. Переходячи до цифр, треба сказати, що зараз рекорд температури FRC становить трохи менше однієї тисячі еВ, а потрібно - 320 000 еВ. Час енергетичного утримання - кілька мілісекунд, а потрібно - десятки секунд. Щільність теж як мінімум десять разів не дотягує до параметрів, потрібних в промисловій установці. Частина з цього можна преодалеть просто збільшуючи розмір і потужність реактора, але частина доведеться нарощувати якісно - покращуючи чистоту плазми, ккд роботи підтримують систем, знаходячи нові, більш вдалі, режими роботи плазми.

Ще одна робота художника на тему можливого вигляду майбутніх машин TAE

Картинка із зірочкою - різні варіанти першої термоядерної машини Tri Alpha - з конфайменту краще і гірше. Час утримання FRC - від 7 до 30 секунд (НЕ мілісекунд!), Знадобляться системи харчування FRC паливом, відкачування гелиевой «золи», яка «забиває топку», нові мегавольтної інжектори нейтрального пучка, що розробляються зараз в новосибірському ІЯФ і дещиця удачі, що б плазма не викинули чергові фортели.

Tri alpha планує пройти цей шлях (до прототипу електростанції) за 5 установок і десь 15 років, і отримали від різноманітних інвесторів на цю роботу близько півмільярда доларів .

Фотографія зсередини вже розібраної установки C-2U. До речі, працівник так одягнувся не для того, що б всім було зрозуміла його крутість, а що б не залишити органіки на внутрішніх стінках камери - плазма надзвичайно чутлива до якості вакууму і до забруднень, і один волосок у вакуумній камері може не дати провести експеримент.

Але я не дарма говорив про психологію. Поки команда ТАЕ впевнено їсть очима інвесторів, інші фахівці, неодноразово обпікшись на прогнозах скромніше відгукуються про сьогоднішні перспективи термоядерної енергетики. Проте, останні теоретичні ідеї в Інституті Ядерної Фізики ім. Будкера в Новосибірську, якщо вони підтвердяться в експерименті здатні здорово спростити роботу зі створення термоядерного реактора, кратно знижуючи його розміри і складність.

Перш ніж розповісти про них, хочу ще раз зупиниться на цікавому моменті. Уявіть собі, що ви багато десятиліть даєте термоядерним фізикам гроші під тверді плани «електростанція через 20 років», і кожен раз вони приходять і кажуть «плазма виявилася складнішою, ніж ми думали, нам треба ще 20 років». І тут вони приходять і кажуть «плазма виявилася складнішою, ніж ми думали, тому у нас з'явилося просте і дешеве рішення, але нам треба 20 років». Що ви їм відповісте? :)

Так ось, мова йде про двох поки теоретичних ідеях - «діамагнітний міхур» і «плазмова накачування гвинтовим магнітним полем». Перша полягає в тому, що б у відкритій пастці надути «бульбашка» з плазми, за рахунок чого, по суті збільшити кількість плазми і її тиск - ідеальне напрямок руху, якщо ми хочемо зменшити втрати енергії з термоядерної плазми. Здавалося б тривіальна ідея включає в себе кілька хитрих особливостей, розуміння яких з'явилося в останні десятиліття. Подібний міхур здатний в ~ 10 разів зменшити розміри термоядерного реактора на відритій пастці. Експериментальна перевірка даної ідеї очікується в найближчі пару років.

«Пузир» - це дійсно міхур. Початковий контур плазми в пастці типу ГДЛ виглядає як синій контур

Схематичний розріз відкритою пастки ГДЛ, на базі якої виникла ідея «бульбашки», і до якої можна застосувати значне зменшення розмірів енергетичного реактора, якщо ця ідея спрацює.

Раз вже ми заговорили про відриті пастки - нагадаю, що цей найпростіший варіант термоядерної установки «не пішов» свого часу через двох основних проблем - неустойчивостей, з якими навчилися боротися тільки в 21 столітті, коли інтерес до уловлювачів був здебільшого втрачено і великий поздовжньої теплопровідності (т. е. витіканню тепла з плазми через дірки в кінці циліндричної установки - на те вона і відкрита пастка). Друга проблема не вирішена до кінця і сьогодні, тому замість дейтерію або бору доводиться палити вугілля. Так ось, «плазмова накачування гвинтовим магнітним полем» - це прообраз магнітної системи, яка встановлюється на відкритих кінцях пастки і «закачує» плазму назад, за рахунок взаємодії гвинтового магнітного поля з обертається навколо осі плазмою, що вилітає назовні. Ефективність в придушенні поздовжньої теплопровідності у такої системи може виявитися неймовірно високою, вирішивши, що залишилася фундаментальну проблему ОЛ.

Принципова схема установки СМОЛА - зліва плазмова гармата, посередині спіральна магнітна система, зліва бак-розширювач з сегментованим електроном, який створює електричний градієнт в плазмі, який її закручує. Гвинтові систему можна включати «уздовж» і «проти» плазми.

Найцікавіше, що установка СМОЛА для перевірки «гвинтового утримання» вже збирається в ІЯФ, і можливо вже навесні 2017 року можна буде побачити перші результати. Ще раз - 50 років ця проблема не давала взяти і побудувати термоядерний реактор на основі відкритої пастки (справедливості заради - поряд з іншими фізичними питаннями і масою ще чекають попереду інженерних), і може бути закрита в досить рутинному фізичному експерименті в наступному році.

Стаття 1958 року про національні пристрої «Стеллаторе, який обіцяє значний стрибок в отриманні корисної енергії від керованого термоядерного синтезу».

Підводячи підсумок, я ще раз згадаю про психологію. Люди останні 30 років звикали до думки про те, що термоядерна енергетика як мінімум економічно не виправдана, а можливо і прямо заборонена по інженерним або фізичних причин. Звикали в ту епоху, коли успіхи фізиків на цьому шляху були половинчастими, а пропоновані конструкції термоядерних реакторів - нежиттєздатними. Тепер можливо ми вступаємо в наступну епоху, коли нам доведеться відвикати від того, що термоядерні електростанції неможливі. Коли відкинуті ідеї 40, а то і 60 річної давності з новим розумінням плазми і технічними можливостями (наприклад надпровідників або цифрових систем управління) раптово запалюють зелене світло.

джерело