На февральской конференции Google Solve for X бывший сотрудник Lockheed Martin выступил с неожиданным заявлением. Он объявил, что команда учёных под его руководством близка к эффективному решению одной из самых сложных задач современной физики – запуску и поддержанию управляемой реакции термоядерного синтеза (УТС). Более того, группа исследователей намеревается к 2017 году построить прототип компактного реактора мощностью 100 МВт – смотрите видео.

С презентацией выступил Чарльз Чейз (Charles Chase), работавший в должности инженера и руководителя отдела в департаменте перспективных разработок Lockheed Martin. Секретное бюро официально именуется Advanced Development Project division. В мире оно больше известно под странным названием Skunk works, которое получило в шестидесятых годах из-за увлечения сотрудников юмористическим комиксом о тайне рецепта самогона из скунсов. Бюро даже обзавелось соответствующей эмблемой, которую можно увидеть на всех слайдах.

Несмотря на шутливое название, в стенах бюро разрабатывались весьма серьёзные проекты. Среди них – стратегический сверхзвуковой разведчик SR-71 Blackbird, тактический ударный самолёт F-117 Night Hawk, БПЛА RQ-170 Sentinel, десяток других летательных аппаратов с технологией «Стелс» и судно Sea Shadow.

Чарльз Чейз окончил Калифорнийский университет в Беркли. В 1985 году он стал выпускником факультета электроники и вычислительной техники, а с 1986 по 2004 год работал на Lockheed Martin. В настоящее время он является сооснователем частной компании CBH Technologies, но в ходе презентации его и называемые им разработки продолжали отождествлять с Lockheed Martin.

По словам Чарльза, пытаясь решить проблему УТС, физики полвека двигались не в том направлении. Он считает, что у токамаков нет будущего, и с большим сомнением отзывается о проекте ITER.

В то же время предлагаемый им альтернативный подход описывается лишь в самых общих чертах и вызывает куда больше сомнений. Во вступлении упоминается о том, что до сих пор 1,3 млрд. людей в мире не имеют постоянного доступа к электроэнергии. К 2050 году существующие потребности удвоятся, что приведёт к строительству тысяч новых электростанций, топлива для которых не хватит.

От драматической части Чарльз переходит к оптимистической. На слайде демонстрируется хорошо известная реакция ядер дейтерия и трития, приводящая к образованию ядра гелия и свободного нейтрона.

Реакция “дейтерий + тритий” (слайд из презентации Чарльза Чейза)

Проблема наведённой радиоактивности от нейтронного излучения при этом не просто замалчивается – докладчиком декларируется нулевой уровень выбросов и полное отсутствие радиационной опасности.

Принцип работы описывается туманно. Упоминается радиочастотное облучение дейтериевого газа и тритий, источником которого служит литий. Энергетический выход реакции оценивается в 17,6 МэВ (справочная величина). Однако Чарльз продолжает рассуждать так, как будто благодаря его установке почти вся эта энергия оказывается в распоряжении потребителя. Он даже называет конкретные сроки, когда “практически неисчерпаемый” источник энергии будет массово доступным.

Между тем для запуска реакции (равно как и для её поддержания) изначально требуется значительное количество энергии. Чтобы итоговый баланс был положительным, должны соблюдаться как минимум три главных условия. Необходимо достижение высокой температуры плазмы (более 100 млн K), способность удерживать её достаточное время в состоянии сверхвысокой плотности и техническая возможность утилизировать выделяющуюся энергию.

О первых двух условиях Чарльз говорит только то, что в новом реакторе используется другая конфигурация магнитного поля. В чём именно она другая? Чем она лучше таковой у токамаков и стеллараторов? Нет ответа. От третьего условия докладчик и вовсе отмахивается, ссылаясь на классические методы утилизации тепловой энергии. Мягко говоря, они не слишком эффективные.

Критикуя токамаки, Чарльз использует устаревшие данные и не упоминает об открытой в 1982 году H-моде. В режиме «высокой моды» (Париж здесь ни при чём) потери энергии на токамаках уменьшаются в два раза и более. Подобный режим работы стеллараторов даёт выигрыш лишь на треть, а каковы результаты команды Чейза?

Удивляет готовность докладчика называть конкретные значения и сроки без указания того, как вообще они были рассчитаны. К примеру, на слайде показывается грузовик с установленным на него реактором мощностью 100 МВт. Это иллюстрация уровня “Футурамы”. На следующем слайде фиолетовое пятно подписано как «Эксперимент T4. Новая конфигурация магнитного поля».

Устно Чарльз комментирует, что это – часть камеры диаметром около метра и длиной два метра (пробкотрон?), в которой «можно увидеть плазму». При изрядной доле фантазии в этой абстракции можно увидеть вообще всё, что угодно.

Уверенность в создании работающего прототипа уже через четыре года и выходе на промышленный уровень ещё через десять лет подразумевает высокую степень готовности проекта к настоящему времени. Обычно о ней можно судить по множеству научных публикаций, выдержавших серьёзную критику со стороны коллег.

По статьям разных лет можно отследить постепенный прогресс лабораторных исследований и эволюцию опытной установки. Всё это есть у критикуемых в презентации токамаков и проекта ITER, но отсутствует у «эксперимента Т4» Чарльза Чейза. Насторожиться заставляет уже тот факт, что выступление перед широкой аудиторией было сделано до обсуждения с положительным результатом в научных кругах.

We say that we will put the sun into a box. The idea is pretty. The problem is we don"t know how to make the box.

Pierre-Gilles de Gennes
Французский нобелевский лауреат

Всем электронным устройствам и машинам нужна энергия и человечество потребляет её очень много. Но ископаемое топливо заканчивается, а альтернативная энергетика пока что недостаточно эффективна.
Есть способ получения энергии, идеально подходящий всем требованиям - Термоядерный синтез. Реакция термоядерного синтеза (превращение водорода в гелий и выделение энергии) постоянно происходит на солнце и этот процесс дает планете энергию в виде солнечных лучей. Нужно только имитировать его на Земле, в меньшем масштабе. Достаточно обеспечить высокое давление и очень высокую температуру (в 10 раз выше, чем на Солнце) и реакция синтеза будет запущена. Чтобы создать такие условия, нужно построить термоядерный реактор. Он будет использовать более распространенные на земле ресурсы, будет безопасным и более мощным чем обычные атомные станции. Уже больше 40 лет предпринимаются попытки его строительства и ведутся эксперименты. В последние годы на одном из прототипов даже удалось получить больше энергии чем было затрачено . Наиболее амбициозные проекты в этой сфере представлены ниже:

Государственные проекты

Наибольшее внимание общественности последнее время достаётся другой конструкции термоядерного реактора - стелларатору Wendelstein 7-X (стелларатор сложнее по внутреннему устройству чем ITER, который является токамаком). Потратив чуть более 1 млрд. долларов немецкие ученые за 9 лет соорудили к 2015 году уменьшенную, демонстрационную модель реактора. Если он будет показывать хорошие результаты будет построена более масштабная версия.

MegaJoule Laser во Франции будет самым мощным в мире лазером и будет пытаться продвинуть метод строительства термоядерного реактора, основанный на использовании лазеров. Ввод французской установки в строй ожидается в 2018 году.

NIF (National ignition facility) было построено в США за 12 лет и 4 млрд. долларов к 2012. Они рассчитывали протестировать технологию и после сразу строить реактор, но оказалось, что, как сообщает википедия - considerable work is required if the system is ever to reach ignition. В результате грандиозные планы были отменены и ученые занялись постепенным совершенствованием лазера. Последняя задача - поднять эффективность передачи энергии с 7% до 15%. Иначе финансирование от конгресса этого метода достижения синтеза может прекратится.

В конце 2015 года в Сарове началось строительство здания для самой мощной в мире лазерной установки. Она будет мощнее текущей американской и будущей французской и позволит провести эксперименты необходимые для строительства «лазерной» версии реактора. Завершение строительства в 2020 году.

Расположенный в США лазер - MagLIF fusion признается темной лошадкой среди методов достижения термоядерного синтеза. Недавно этод метод показал результаты лучше ожидаемых, но мощность всё ещё нужно увеличить в 1000 раз. Сейчас лазер проходит апгрейд, и к 2018 учёные надеются получить столько же энергии, сколько потратили. В случае успеха будет построена увеличенная версия.

В российском ИЯФ упорно проводили эксперименты над методом «открытых ловушек» от которого отказались США в 90е. В результате были получены показатели, считавшиеся невозможными для этого метода. Учёные ИЯФ полагают, что их установка сейчас находится на уровне немецкой Wendelstein 7-X (Q=0.1), но дешевле. Сейчас за 3 млрд. рублей они строят новую установку

Руководитель Курчатовского института постоянно напоминает о планах построить в России небольшой термоядерный реактор - Игнитор. По плану, он должен быть также эффективен как ITER, хоть и меньше. Строительство его должно было начаться ещё 3 года назад, но такая ситуация типична для крупных научных проектов.

Китайский токамак EAST начале 2016 года сумел получить температуру в 50 млн. градусов и продержать её 102 секунды. До начала постройки огромных реакторов и лазеров все новости про термоядерный синтез были такими. Можно было подумать, что это просто соревнование среди ученых - кто дольше удержит всё более высокую температуру. Чем выше температура плазмы и чем дольше её удается удерживать - тем мы ближе к началу реакции синтеза. Таких установок в мире десятки, ещё несколько () () строится так что скоро рекорд EAST будет побит. В сущности, эти небольшие реакторы, это просто тестирование оборудования перед отправкой в ITER.

Lockheed Martin объявил в 2015м о прорыве в термоядерной энергетики, который позволит им построить небольшой и мобильный термоядерный реактор за 10 лет. Учитывая, что даже очень большие и совсем не мобильные коммерческие реакторы ожидались не ранее 2040 года, заявление корпорации было встречено скептически. Но компания располагает большими ресурсами так что кто знает. Прототип ожидается в 2020 году.

Популярный в кремниевой долине стартап Helion Energy имеет свой уникальный план по достижению термоядерного синтеза. Компания привлекла больше 10 млн долларов и рассчитывает создать прототип к 2019.

Держащийся в тени стартап Tri Alpha Energy недавно добился впечатляющих результатов в продвижении своего метода термоядерного синтеза (теоретиками было разработано >100 теоретических способов добиться синтеза, токамак просто самый простой и популярный). Компания также привлекла более 100 млн долларов средств инвесторов.

Проект реактора от Канадского стартапа General Fusion ещё больше не похож на остальные, но разработчики в нем уверены и привлекли за 10 лет больше 100 млн. долларов, чтобы построить реактор к 2020 году.

Стартап из Соединенного королевства - First light имеет самый доступный для понимания сайт, образовался в 2014 году, и объявил о планах использовать последние научные данные для менее затратного получения термоядерного синтеза.

Ученые из MIT написали статью с описанием компактного термоядерного реактора. Они уповают на новые технологии, появившиеся уже после начала строительства гигантских токамаков и обещают осуществить проект за 10 лет. Пока неизвестно будет ли им дан зеленый свет на начало строительства. Даже в случае одобрения, статья в журнале, это ещё более ранняя стадия чем стартап

Термоядерный синтез - это, пожалуй, наименее подходящая для краудфандинга индустрия. Но именно с его помощью и также с финансированием НАСА, компания Lawrenceville Plasma Physics собирается построить прототип своего реактора. Из всех реализуемых проектов, этот больше всего похож на мошенничество, но кто знает, может, что-то полезное они привнесут в эту грандиозную работу.

ITER будет только прототипом для постройки полноценной установки DEMO - первого коммерческого термоядерного реактора. Его запуск сейчас запланирован на 2044 год и это ещё оптимистичный прогноз.

Но есть планы и на следующий этап. Гибридный термоядерный реактор будет получать энергию и от распада атома (как обычная атомная станция) и от синтеза. В такой конфигурации энергии может быть в 10 раз больше, но безопасность ниже. Китай рассчитывает построить прототип к 2030, но эксперты говорят, что это всё равно что пытаться собрать гибридные автомобили до изобретения двигателя внутреннего сгорания.

Итог

Нет недостатка в желающих принести в мир новый источник энергии. Наибольшие шансы есть у проекта ITER, учитывая его масштаб и финансирование, но другие методы, а также частные проекты не стоит сбрасывать со счетов. Ученые десятки лет трудились над запуском реакции синтеза без особых успехов. Но сейчас проектов по достижению термоядерной реакции больше чем когда-либо. Даже если каждый из них провалится, новые попытки будут предприняты. Вряд ли мы успокоимся, пока не зажжем миниатюрную версию Солнца, здесь, на Земле.

Теги: Добавить метки

Ученые Института ядерной физики Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН) намерены создать в своем институте рабочую модель термоядерного реактора. Об этом изданию «Сиб.фм» сообщил руководитель проекта, доктор физико-математических наук Александр Иванов.

Для разворачивания проекта «Развитие фундаментальных основ и технологий термоядерной энергетики будущего» ученые получили правительственный грант. Всего на создание реактора ученым потребуется около полумиллиарда рублей. Построить установку в Институте собираются за пять лет. Как сообщается, исследованиями, связанными с управляемым термоядерным синтезом, в частности физикой плазмы, в ИЯФ СО РАН занимаются давно.

«До сих пор мы занимались физическими опытами для создания класса ядерных реакторов, которые можно использовать в реакциях синтез-деления. Мы добились в этом прогресса, и перед нами встала задача - построить прототип термоядерной станции. К настоящему моменту мы накопили базу и технологии и полностью готовы к началу работ. Это будет полномасштабная модель реактора, которую можно использовать для проведения исследований или, к примеру, для переработки радиоактивных отходов. Технологий для создания такого комплекса много. Они новые и сложные, и требуется некоторое время, чтобы их освоить. Все задачи физики плазмы, которые мы будем решать, актуальны для мирового научного сообщества», - сообщил Иванов.

В отличие от обычной ядерной энергетики, в термоядерной предполагается использование энергии, высвобождаемой при образовании более тяжелых ядер из легких. В качестве топлива предусматривается применение изотопов водорода - дейтерия и трития, однако в ИЯФ СО РАН собираются работать только с дейтерием.

«Мы будем проводить только моделирующие эксперименты с генерацией электронов, но все параметры реакций будут соответствовать реальным. Электроэнергию тоже вырабатывать не будем - только доказывать, что реакция может протекать, что параметры плазмы достигнуты. Прикладные технические задачи будут реализовываться в других реакторах», - подчеркнул заместитель директора Института по научной работе Юрий Тихонов.

Реакции с участием дейтерия относительно недороги и имеют высокий энергетический выход, но при их протекании образуется опасное нейтронное излучение.

«В существующих установках достигнута температура плазмы в 10 миллионов градусов. Это ключевой параметр, который определяет качество реактора. Надеемся повысить температуру плазмы во вновь созданном реакторе в два или в три раза. На таком уровне мы сможем использовать установку как нейтронный драйвер для энергетического реактора. На основе нашей модели могут создаваться безнейтронные реакторы на тритии-дейтерии. Другими словами, созданные нами установки позволят создавать безнейтронное топливо», - пояснил другой заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе Александр Бондарь.

Испанские инженеры разработали прототип экологически чистого термоядерного реактора с инерционным удержанием плазмы, в основе работы которого используется ядерный синтез вместо ядерного деления. Утверждается, что изобретение позволит сущест­венно экономить на топливе и избежать загрязнения окружающей среды.

Профессор Политехнического университета Мадрида Хосе Гонсалес Диез запатентовал реактор, использующий в качестве топлива изотоп водорода, который можно выделить из воды, что позволяет существенно экономить при производстве электроэнергии. Синтез в реакторе происходит посредством лазерного излучения в 1000 МВт.

На протяжении многих лет ядерный синтез изучался на предмет создания альтернативы ядерному делению с точки зрения безопасности и финансовых преимуществ. Тем не менее сегодня не существует ни одного термоядерного реактора для производства непрерывной электрической энергии высокого напряжения. Примером естественного термоядерного реактора может служить Солнце, внутри которого нагретая до огромных температур плазма удерживается в состоянии с высокой плотностью.

В рамках проекта Fusion Power Гонсалес Диез создал прототип термоядерного реактора с инерциальным удержанием плазмы. Синтезирующая камера реактора может адаптироваться к типу используемого топлива. Теоретически возможными реакциями могут стать реакции дейтерий-тритий, дейтерий-дейтерий или водород-водород.

Размеры камеры, а также ее форма могут быть адаптированы в зависимости от типа топлива. Кроме того, можно будет менять форму внешнего и внутреннего оборудования, тип охлаждающей жидкости и т.д.

По словам кандидата физико-математических наук Бориса Бояршинова, проекты по созданию термоядерного реактора реализуются на протяжении сорока лет.

«С 70-х годов остро стоит проблема управляемого термоядерного синтеза, но пока многочисленные попытки создать термоядерный реактор были неудачными. Работы по его изобретению до сих пор ведутся и, скорее всего, вскоре увенчаются успехом», - отметил г-н Бояршинов.

Руководитель энергетической программы «Гринпис России» Владимир Чупров скептически относится к идее использования термоядерного синтеза.

«Это далеко не безопасный процесс. Если разместить рядом с термоядерным реактором «бланкет» из урана-238, то все нейтроны будут поглощаться этой оболочкой и уран-238 будет превращаться в плутоний-239 и 240. С точки зрения экономики даже если термоядерный синтез удастся реализовать и ввести в коммерческую эксплуатацию, его стоимость такова, что позволить его себе сможет далеко не каждая страна, хотя бы потому, что для обслуживания этого процесса нужны очень компетентные кадры», - говорит эколог.

По его словам, сложность и дороговизна этих технологий представляет собой тот камень преткновения, о который запнется любой проект, даже если он состоится на техническом уровне. «Но даже в случае успеха максимальная установленная мощность термоядерных станций к концу столетия составит 100 ГВт, что составляет около 2% от того, что потребуется человечеству. В итоге термоядерный синтез не решает глобальной проблемы», - уверен г-н Чупров.

Ученые Института ядерной физики Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН) намерены создать в своем институте рабочую модель термоядерного реактора. Об этом изданию «Сиб.фм» сообщил руководитель проекта, доктор физико-математических наук Александр Иванов.

Для разворачивания проекта «Развитие фундаментальных основ и технологий термоядерной энергетики будущего» ученые получили правительственный грант. Всего на создание реактора ученым потребуется около полумиллиарда рублей. Построить установку в Институте собираются за пять лет. Как сообщается, исследованиями, связанными с управляемым термоядерным синтезом, в частности физикой плазмы, в ИЯФ СО РАН занимаются давно.

«До сих пор мы занимались физическими опытами для создания класса ядерных реакторов, которые можно использовать в реакциях синтез-деления. Мы добились в этом прогресса, и перед нами встала задача - построить прототип термоядерной станции. К настоящему моменту мы накопили базу и технологии и полностью готовы к началу работ. Это будет полномасштабная модель реактора, которую можно использовать для проведения исследований или, к примеру, для переработки радиоактивных отходов. Технологий для создания такого комплекса много. Они новые и сложные, и требуется некоторое время, чтобы их освоить. Все задачи физики плазмы, которые мы будем решать, актуальны для мирового научного сообщества», - сообщил Иванов.

В отличие от обычной ядерной энергетики, в термоядерной предполагается использование энергии, высвобождаемой при образовании более тяжелых ядер из легких. В качестве топлива предусматривается применение изотопов водорода - дейтерия и трития, однако в ИЯФ СО РАН собираются работать только с дейтерием.

«Мы будем проводить только моделирующие эксперименты с генерацией электронов, но все параметры реакций будут соответствовать реальным. Электроэнергию тоже вырабатывать не будем - только доказывать, что реакция может протекать, что параметры плазмы достигнуты. Прикладные технические задачи будут реализовываться в других реакторах», - подчеркнул заместитель директора Института по научной работе Юрий Тихонов.

Реакции с участием дейтерия относительно недороги и имеют высокий энергетический выход, но при их протекании образуется опасное нейтронное излучение.

«В существующих установках достигнута температура плазмы в 10 миллионов градусов. Это ключевой параметр, который определяет качество реактора. Надеемся повысить температуру плазмы во вновь созданном реакторе в два или в три раза. На таком уровне мы сможем использовать установку как нейтронный драйвер для энергетического реактора. На основе нашей модели могут создаваться безнейтронные реакторы на тритии-дейтерии. Другими словами, созданные нами установки позволят создавать безнейтронное топливо», - пояснил другой заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе Александр Бондарь.