Сегодня расскажу вам об одной из существующих исследовательских установок термоядерного синтеза импульсного типа, которая при дальнейшей доработке сможет первой в мире или одной из первых осуществить давнюю мечту человечества - производство экологически чистой энергии из широко доступного топлива, без большого количества вредных выбросов и углеродного следа. Ответ на вопрос возможно ли это в теории давно получен, всех нас больше интересует увидим ли мы первые рентабельные термоядерные реакторы на нашем веку.
Это установка-прототип Trenta от частной американской компании Helion Energy. В мире есть целая россыпь компаний, утверждающих что они сделают что-то в течение 10 лет. Хотя сейчас Trenta не может похвастать абсолютными рекордами температуры, давления и времени удержания плазмы, и тем не менее, на мой взгляд, её разработчики ближе всего подобрались к тому, чтобы уже в следующей итерации разработки построить прототип первого коммерческого реактора управляемого синтеза.
Несколько фактов, которые позволяют на это надеяться:
1) Конструкция установки в достаточной мере проста для строительства коммерчески успешного проекта. Затраты на строительство реактора гораздо меньше, в сравнении с токамаками более низких энергий плазмы, но стабильным ее удержанием. Но при этом и затраты на механизмы отведения/преобразования тепла кратно меньше, чем в классических атомных электростанциях на распаде.
2) Установка не создана с нуля, а является уже шестым поколением этой компоновки. Текущая версия успешно осуществляет синтез, при ее испытании достигнуты важные вехи, о которых коротко в самом низу длиннопоста;
3) Расчеты показывают достижимость коэффициента воспроизводства термоядерной энергии Q = 8 на установке данного типа, но при этом установка позволяет снимать электричество с высоким КПД даже при малых значениях Q;
4) Хотя есть необходимость во внешнем источнике или аккумуляторе энергии, нет необходимости непрерывно поддерживать плазму в стационарном состоянии, со всеми ее трудностями.
5) За вычетом стоимости топлива, эксплуатационные затраты на производство электроэнергии, включая обеспечение безопасности, времени выхода на полную мощность и снятие энергоблоков с эксплуатации, будет сравнимо с классическими ТЭС. Поскольку нет повышенного риска радиационного загрязнения, риска неконтролируемой реакции, а также вероятности использования электростанции в качестве оружия.
Для начала немного теории, чтобы понять, что же происходит внутри реактора. Для того, чтобы запустить синтез, необходимо создать такие условия, при которых удастся преодолеть силы отталкивания атомов друг от друга - преодолеть кулоновский барьер. На практике это означает поднять температуру и давление (концентрацию) плазмы до необходимых значений на достаточное время. Внутри Солнца огромное давление, поэтому протон-протонный синтез успешно начинается всего лишь при температуре ~10 млн градусов благодаря туннелированию ядер водорода через кулоновский барьер. Однако, на Земле мы не можем воссоздать подобное давление в макросистемах, поэтому реакция синтеза возможна лишь при достижении один-два порядка большей температуры.
Нижняя планка температуры зависит от выбранного топлива. На Солнце почти нет изотопов водорода и горит преимущественно водород и гелий-4, а вот на Земле нам доступен гораздо больший ассортимент. Например, при Земных условиях, реакция с нижним порогом необходимой энергии - синтеза дейтерия и трития (D-T) требует нагрева до 100млн C. Наиболее доступная анейтронная реакция синтеза Дейтерий-Гелий-3 (D-He3), т.е. без образования нейтронов или с их малым количеством, начнется при температуре порядка 800 млн C. Однако, на Земле очень малое количество Гелия-3 и в основном его получают как продукт бета-распада трития - полураспад которого составляет 12.5 лет. Однако, и мировые запасы трития невелики и исчисляются килограммами, поскольку получают его искусственно на атомных реакторах деления. Следующая по доступности анейтронная реакция - водород-бор-11. Хотя 80% встречающегося бора в природе как раз и составляет этот изотоп, синтез с водородом требует критической температуры 3 млрд C.
Выходом из положения является создание очень мощных магнитных полей в несколько десятков ТЛ, во-первых для компрессии плазмы и снижения требований к критической температуры, а во-вторых для тепловой изоляции внутренней части реактора от плазмы.
В реакторах непрерывного цикла люди уже научились поддерживать температуру 100-150млн С в течение минуты и более, что вполне подходит для поддержания реакции D-T. В импульсных реакторах достигнуть необходимой величины магнитного поля, давления и критической температуры на короткое, но достаточное для "сжигания" топлива время намного проще, чем поддерживать эти условия длительное (или бесконечно длительное) время, чем и пользуются малобюджетные частные стартапы подобные Helion Energy в гонке за пальму первенства с монстрами-токамаками HL-2M EAST, ITER и подобными, не имеющих недостатка в финансировании благодаря государственным бюджетным инвестициям. Так же как в случае с термоядерными бомбами, где время протекания реакции очень мало 10^-7 – 10^-6 сек, импульсные термоядерные реакторы с большой вероятностью опередят токамаки в первых коммерческих системах из-за простоты своей конструкции.
А замахнулись в Helion Energy, ни много ни мало, на анейтронную реакцию D-He3 как основной источник энергии. Сложность проведения термоядерной реакции можно характеризовать тройным произведением nTτ (плотность на температуру на время удержания), также известное как критерий Лоусона. По этому параметру реакция D-He3 примерно в 100 раз сложнее, чем D-T. Но и свои причины, почему все-таки стоит замахнуться на столь сложную реакцию, разумеется есть:
Во-первых, жесткое нейтронное излучение в атомных реакторах создает огромное количество проблем, из-за которых так многие люди выступают против их строительства: здесь и повышенная радиационная опасность, накопление радиоактивных отходов, высокий уровень износа реактора изнутри. Защитить внутренности реактора от износа нейтронным излучением не менее трудная задача, чем защитить его от высокой температуры плазмы, только магнитные поля в качестве основы защиты уже не помогут, ведь нейтроны не имеют заряда.
Во-вторых, снимать полезную энергию анейтронной реакции гораздо проще, чем нейтронной - поток заряженных протонов напрямую индуцирует ток, и нет потери КПД на преобразование тепла в электричество. И что особенно важно для мобильного использования и применения в условиях космоса - готовая электростанция будет в 1000 раз меньше в размерах.
В-третьих, при сопоставимом энерговыделении D+He3 с реакцией синтеза D-T, эффективное сечение реакции слияния с дейтерием больших энергий >1 МэВ у гелия-3 намного больше и растет с увеличением энергии набегающего дейтерия, а не снижается, как в случае трития. Что конечно гораздо лучше трития подходит для подобных импульсных реакторов, где необходимая компрессия достигается столкновением высокоэнергетических частиц, и где для успешного протекания реакции есть совсем немного времени.
В-четвертых, в отличие от другой конкурирующей компании TAE Technologies, создавшей похожий реактор, но использующий в качестве топлива p+B11, запустить реакцию D+He3 значительно проще, т.к. для ее работы необходимо создать гораздо менее экстремальные условия.
Похожая установка Norman от конкурирующей компании TAE Technologies
Работа установки чем-то похожа на работу дизельного двигателя внутреннего сгорания: аналогичные циклы адиабатического сжатия, воспламенения и расширения. Но вместо механических цилиндров и поршней здесь плазмой управляют мощные магнитные поля.
Получение энергии происходит в пять этапов, циклическими импульсами, с повторами всех этапов каждую секунду, или дважды в секунду - в перспективном реакторе 50 МВт следующего поколения.
1. Формирование - два плазмоида FRC конфигурации динамически формируются в противоположных концах установки последовательной сменой полярности магнитных полей;
2. Ускорение - плазмоиды разгоняются во встречных направлениях до скоростей свыше 300 км/с;
3. Слияние плазмоидов - преобразование кинетической энергии столкновения плазмоидов в тепловую энергию ионов;
4. Сжатие + слияние атомов - FRC плазмоид сжимается магнитными полями до температур реакции синтеза;
5. Генерация энергии - поток заряженной отработанной плазмы проходящий сквозь магнитное поле установки, согласно закону электромагнитной индукции Фарадея возбуждает электрический ток, часть которого используется в следующем цикле для питания магнитов, а другая часть - полезная энергия, которую можно отдать потребителям в сеть.
Теперь, когда есть общее представление, рассмотрим чуть подробнее каждый из этапов.
1. FRC конфигурация - это встречное поле с обратной связью. Плазменные пушки на обоих концах создают кольцо вращающейся самоподдерживаемой плазмы в форме тора. Внутри нее индуцируется электрический ток, создавая полоидальное магнитное поле, перевернутое по отношению к направлению внешнего магнитного поля.
Производство термоядерной энергии путем удержания плазмы с помощью магнитных полей наиболее эффективно, если силовые линии не проникают через твердые поверхности, а замыкаются в окружности или тороидальные поверхности. Токамаки и стеллараторы делают это в тороидальной камере, что позволяет в значительной степени контролировать магнитную конфигурацию, но требует очень сложной конструкции. Конфигурация с перевернутым полем предлагает альтернативу в том смысле, что силовые линии закрыты, обеспечивая самоподдерживание силами инерции, но камера имеет цилиндрическую форму, что упрощает конструкцию и обслуживание.
2-3. Два облака плазмы на каждом из ускорителей развивают скорость 300 км/сек, что дает относительную скорость столкновения 600 км/сек (0,002 скорости света). Это намного выше, чем скорость теплового движения молекул в каждом из отдельно взятых облаков плазмы, и поднимает температуру свободных электронов плазмы в области генерации ионов до килоэлектронвольтных значений. Ионная температура на данный момент достигнута на уровне 9 кэВ.
4. Дополнительное сжатие полем в центральном FRC позволяет достигнуть необходимого значения компрессии плазмы для осуществления реакции синтеза D-He3. Благодаря которому происходит самостоятельный нагрев плазмы до температуры, уже достаточной для протекания реакции синтеза D-D. Задача магнитов в центральном FRC - удержать плазму на время, достаточное для успешного завершения реакции, которое составляет менее 1 мкс.
5. После чего происходит расширение плазмы, состоящей преимущественно из положительно заряженных протонов. Теоретически, при условии создания магнитного потока от 20 мВб, разница между первоначальной силой магнитного поля затраченного для сжатия и силой магнитного поля плазмы полученной после успешной реакции синтеза составляет более 10 Тл, что позволяет извлекать выгоду и получать больше электроэнергии с тех же магнитов, чем было затрачено для их работы на сжатие. Эмпирически Q ~ 1 достигается при магнитном потоке 25 мВб.
Более высокие значения Q возможны, если применять дальнейшие ухищрения для продления времени удержания горячей плазмы высокой плотности для более полного "сгорания" топлива и достижения еще больших значений магнитного потока. Либо добиваться дальнейшего прироста температуры, линейное приращение которой почти экспоненциально увеличивает вероятность протекания реакции и ее скорость соответственно. При разработке исследовательского реактора следующего поколения разработчики поставили амбициозную цель - добиться значения Q = 8.
Все выглядит хорошо, но как же быть с редкостью гелия-3, необходимого для работы реактора? Но решение и этой проблемы предусмотрено разработчиками. Действительно, накопление первоначально необходимого для запуска объема может быть проблемой. Но в дальнейшем реактор способен нарабатывать большее количество гелия-3, чем он использует для собственных нужд. Для этого используется комбинация нескольких видов реакций в одном цикле:
1) D-D синтез с образованием свободных нейтронов и гелия-3. Образующийся в ходе этой реакции He3 прямо на месте используется в реакции D+He3.
2) n+Li6 Свободные нейтроны относительно низкой энергии 2.45 МэВ образуемые в вышеописанной реакции взаимодействуют с жидким литиевым экраном реактора (например, из расплава фтористых солей лития) - одеялом, одновременно защищающим реактор от выхода нейтронов, и осуществляющим теплообмен с внешним миром. В нем размножается тритий, который удаляется из системы в виде газа для дальнейшего использования. Тритий сам по себе возможно использовать в бета-вольтаических ячейках как источник постоянного тока, а после распада до гелия-3 - возвращать обратно в реактор как топливо.
Остаточное тепло возможно отводить и преобразовывать в электричество классическими методами в тепловом двигателе для повышения КПД системы, но это лишь дополнительный источник электричества.
3) D-D синтез с образованием протона и трития. Протоны - индуцируют ток, а потеряв большую часть кинетической энергии, вновь обретают электронную оболочку, образуют связанные пары и удаляются из реактора в виде газообразного водорода через отверстия в диверторе.
Тритий удаляется вместе с другими продуктами реакции в виде газа и помещается в аналогичное хранилище, о котором говорили выше. Реакция синтеза D–T практически не происходит из-за малого сечения реакции слияния при таких огромных энергиях набегающих дейтронов. Хотя температура внутри установки и допускает протекание подобной реакции, вероятность ее очень мала из-за чрезвычайно быстрого цикла сжатия.
4) D+He3 - наконец, то ради чего все затевалось. Львиную долю в энергетическом балансе реактора вносит реакция слияния дейтерия с гелием-3 с образованием протонов высокой энергии и гелия-4, который удаляется после каждого цикла вместе с другими продуктами реакции.
Полный топливный цикл:
Разделение смеси продуктов реакции на отдельные фракции будет производиться установками изотопной очистки. При этом проще всего очищать именно дорогой и редкий гелий-3, поскольку в отличие от изотопов водорода, он не образует целого набора полутяжелых молекул. Теоретически, для очистки гелия-3 есть несколько способов, и пока еще предстоит выяснить какой из них наиболее выгоден. Какой именно подход выбрали разработчики из Helion Energy - не раскрывается.
Что удалось достигнуть:
* по состоянию на январь 2021, Helion достигли полей компрессии, по разным источникам, от 10 до 100 Тесла
* одновременно добились температуры 100 млн C, времени жизни плазмы более 1 миллисекунды, и достаточного уровня сжатия для запуска реакции синтеза
* зарегистрировали выход нейтронов, подтверждающих успешность ядерного синтеза
* продемонстрировали съем энергии с 95% эффективностью
* разработали полный цикл самообеспечения гелием-3
Сейчас перед учеными из Helion Energy стоят не задачи из области теоретической физики, а чисто прикладные инженерные задачи, решением которых они и занимаются.
В планах создание прототипа коммерческого устройства 50 МВт класса, в котором значение Q достигнет значения 15, и последующего выхода на стоимость производства 1 кВт/ч по различным оценкам от $0.04 до $0.11. По мысли инженеров, размер предполагаемый размер электростанции - два стандартных портовых контейнера, что позволяет доставлять энергию туда, где она необходима.
Пусть цена за кВт/ч вас не пугает - ведь со стоимостью производства электроэнергии с электростанциями гигаватного класса сравнивать мягко говоря не корректно. Область применения - в первую очередь территории, где нет развитой распределительной сети, и где стоимость производства электричества очень высока. Можно будет постепенно заменять старые ТЭС на ископаемом топливе, либо наращивать существующую емкость добавляя новые реакторы Helion Energy по мере роста потребностей. Затем займутся масштабированием для получения больших мощностей генерации. Мощные энергоблоки, скорее всего, будут модульными для возможности их обслуживания без полного отключения производства и будут иметь цилиндрическую компоновку:
