afirsov (afirsov) wrote,
afirsov
afirsov

Categories:

Как авиастроители покоряли термояд

Уважаемый 122_mm разместил такой пост о "современном взгляде" на проблему "реакции синтеза" Они это сделают?


Управляемый термоядерный синтез (УТС) в природе - дело самое что ни на есть обычное. Ближайший пример - "звезда по имени Солнце". Хомо сапиенсы сциентикусы со всего мира тщетно, с момента провозглашения Бородой в Харуэлле идеи УТС 25 апреля 1956 года, дружно пытаются что-то подобное склепать на Земле. Но между УТС на небесах и продвигаемой идеей на Земле есть "малюсенькая" разница:

Небо: p + p = D + e+ + ve; D + p = He-3 + γ; He-3 + He-3 = He-4 + 2p
Земля: D + T = He-4 + n





Дело даже не в энергетическом выходе, а в наличии в цепи реакций на Солнце электронного нейтрино - т. е. первая и задающая остальные реакция идёт за счёт слабого фундаментального взаимодействия, которое технически на Земле реализовать для производства энергии в реакторе невозможно - нужны условия как в солнечном ядре и много-много вещества, т. к. её скорость невысока. Кроме того, Солнце является истинно безопасным реактором на УТС: если где-то чуть-чуть скорость реакции увеличится, то вследствие избыточного нагрева плотность вещества уменьшится, число вступающих во взаимодействие протонов снизится и энерговыделение вернётся к стабильному уровню. И наоборот, если где-то скорость реакции снизится, вещество охладится, станет более плотным и создадутся условия для увеличения энерговыделения - налицо идеальная отрицательная обратная связь.

На Земле в токамаке алфизики уже полсотни лет страшными ухищрениями пытаются сделать всё только на сильном взаимодействии (вместо нейтрино на выходе имеем нейтрон - кто в теме, тот знает, чем это плохо, а для безопасной в этом плане альтернативы D + He-3 кишка ещё тонка, плюс крайняя редкость гелия-3) . Для обеспечения стабильности плазменного шнура (а он принципиально неустойчив по своей природе) применяются жуткие ухищрения, которые пока ещё не привели к желаемому результату. А что это значит - в случае отказа системы управления этим шнуром он во мгновение распадётся с катастрофическими последствиями для стенок реакторной установки (поверим обещаниям, что дальше них дело не пойдёт) и резким вырубанием ТЯЭС из энергосети. Обесточивание ближайших потребителей, перераспределение и увеличение нагрузки на оставшиеся генерирующие мощности, блэкаут по целому региону... Жить в такой энергосистеме, все равно, что делать из аэродинамически неустойчивого F-117 пассажирский самолёт: отказ движка или быстродействующих элементов системы управления и всё, "нас извлекут из-под обломков...". А для аэродинамически устойчивого самолёта даже полный отказ двигателей в принципе не фатален - "планёр Гимли" Б-767 тому пример. Закладываться в энергетике на неустойчивую конфигурацию - разумно ли это?

Посему, зная талант и гениальность Физиков начала-середины XX века плюс личный юмор Бороды, поневоле задумаешься - уж не подарил ли он в Харуэлле (с согласия Смотрящих того времени, конечно) вероятному противнику заведомо нереализуемую идейку а-ля теперешний боевой лазер?! Если так, то шутка удалась - с апреля месяца её будут грызть уже седьмой десяток лет пока с не особо значительными результатами, зато сколько денег было потрачено, тратится в настоящий момент и будет тратиться в будущем.

P.S. Советская школа подготовки физиков всегда опиралась на умение, исходя из общих законов природы дать количественную оценку происходящим явлениям и процессам с точностью до порядка задействованных величин (привет из моего студенческого прошлого на РФФ ННГУ - не умеешь это делать - иди куда-нибудь ещё!). И без помощи намбер-кранчеров (а может быть и благодаря этому) плеяда наших корифеев тех лет ну не могла пройти мимо количественной оценки параметров УТС и прикидок того, что для него действительно требуется по результатам первых экспериментов. Был бы тот доклад в Харуэлле, если бы источник неисчерпаемой электроэнергии был РЕАЛЬНО досягаем, скажем, в ближайшие 10 лет?



Мне этот пост напомнил об одной годичной давности статьи на ту же тему, или как авиастроители известного подразделения "Локхид" занялись термоядом :-) Что само по себе весело :-)


В глубине структурных подразделений секретного отделения фирмы «Локхид-Мартин» – «Сканк уоркс» идет работа над новой концепцией термоядерного реактора, который, как полагают разработчики, послужит решению проблемы обеспечения мира дешевой, экологически чистой энергией.

Потенциально разрабатываемый новый реактор, названный CFR (компактный реактор синтеза), должен быть более безопасным, мощным и экологически чистым по сравнению с современными ядерными реакторами, использующими реакцию распада. Главным здесь является слово «компактный» – «Локхид» полагает, что концепция малогабаритного реактора позволит обеспечить ядерной энергией широкий диапазон потребителей от межпланетных космических кораблей до транспортных судов и городских электростанций. Более того, возможно удастся вдохнуть жизнь в концепцию большого самолета с ядерной силовой установкой, которому практически не нужно будет топлива – концепции, которая была отброшена еще 50 лет назад из соображений безопасности и сложности эксплуатации реакторов, работающих с ядерными реакциями распада.

Сама по себе идея использования реакции синтеза ядер легких атомов с образованием устойчивых и тяжелых атомов и выделением энергии восходит еще к 1920-м годам, когда было установлено, что именно такая реакция протекает в недрах звезд. С тех пор ученые бьются над проблемой практического использования энергии ядерного синтеза. Работы проводились по всему миру в огромном числе лабораторий, институтов и компаний, но нигде не вышли из опытной стадии. И вот, когда, как кажется, представителям «Локхид», им удалось совершить прорыв к обладанию «Святым Граалем», для решительного переворота в мировой энергетики фирма решила рассекретить свои работы под кодовым обозначением «Т4», надеясь тем самым привлечь к сотрудничеству деловых партнеров, новые инвестиции и новые идеи.

Если в 2013 г. фирма «Локхид» обнародовала лишь краткую информацию о работах по CFR, то сейчас были представлены новые подробности хода работ. Работами по «эксперименту Т4» руководит Томас Макгир (Thomas McGuire) – авиационный инженер, ставший доктором наук в Массачусетском технологическом университете – глава подразделения «Программ революционных технологий». Сейчас эксперименты идут на установке, напоминающей по размерам двигатель бизнес-джета. Выполненный из нержавеющей стали корпус опытного реактора соединен с вакуумными насосами и мощными электробатареями – внешне это не похоже на решение головоломки управления реакцией ядерного синтеза, перед которой спасовали несколько поколений физиков-ядерщиков.

«За время обучения в аспирантуре и работы в Массачусетском технологическом университете совместно с NASA главным побудительным мотивом для меня было стремление решить задачу максимально быстрого перелета на Марс», – рассказал Макгир. Исследование литературы, посвященной проблеме ядерных силовых установок дало разочаровывающий результат. «Обнаружив этот факт, я с начала 2000-х стал просматривать все публикации по этой тематике в поиске свежих идей. Комбинируя различные предложения, я старался выбрать лучшее решение для тех или иных задач ядерного синтеза. В результате здесь, на «Локхиде» удалось разработать совершенно новый подход к проблеме, который мы сейчас проверяем», – добавил Макгир.

Для лучшего понимания, в чем состоит новизна работ на «Локхиде», нам следует рассмотреть как работает термоядерная реакция, какими методами удается добиться управления реакцией синтеза и как это влияет на количество получаемой в реакторе энергии и размеры самой установки. Термоядерное топливо в виде изотопов водорода – дейтерия и трития – в газообразном состоянии подается в реактор, после чего топливо разогревается обычно с помощью электромагнитного излучения, а газ превращается в плазму из отдельных ионов и электронов.

Сверхгорячая плазма удерживается мощным магнитным полем, препятствующим контакту со стенками реактора, и если магнитное поле достаточно сильное, то ионы, преодолевая взаимное отталкивание, сливаются, вступая в реакцию синтеза. В результате образуются атомы гелия-4 с выделением нейтронов, которые выносят кинетическую энергию реакции через магнитную «ловушку». Нейтроны разогревают стенки реактора, который через обычный теплообменник приводит в действие турбогенератор.

На данный момент абсолютное большинство термоядерных реакторов строятся по схеме токомака, впервые предложенной в 1950-х годах учеными Советского Союза. Токомак формируют магнитное поле для удержания плазмы в виде тора, поддерживая реакцию синтеза индукционным нагревом плазмы. Главная задача при этом состоит в том, чтобы добиться большего выхода энергии при термоядерной реакции, чем затрачивается на подогрев плазмы и генерацию магнитного поля.

Наиболее совершенным токомаком является реактор ITER (Международный термоядерный экспериментальный реактор) мощностью 500 МВт, который планируется построить в Кадараше (Франция). Однако запустить термоядерную реакцию на нем предполагается только в конце 2020-х годов, а выйти на плановую мощность в 2040-х годах.

Главной проблемой токомака по мнению Макгира являются слишком большие затраты энергии на удержание плазмы: «То, что мы называем бета-пределом». «Бета» в данном случае измеряется как отношение силы давления в плазме к силе удерживающего магнитного поля, и для токомака она очень мала – порядка 5%. Макгир сравнил торовидное магнитное поле токомака с камерой велосипеда: «Если мы будем накачивать ее очень сильно, то в конце концов в камере проявится какой-нибудь дефект и она взорвется. Поэтому, чтобы обеспечить необходимый «запас прочности», приходится делать токомаки слишком большими». В результате токомаки достигают гигантских размеров и стоимости. Так, ITER должен стоить 50 млрд. долл., иметь высоту до 30 м и весить 23 тыс. т.

CFR позволяет избежать этих недостатков, используя другой принцип удержания плазмы. В отличие от торовидного магнитного поля токомака, CRF с помощью сверхпроводящих магнитов генерирует магнитное поля принципиально новой геометрии, позволяющее удерживать плазму внутри всего объема реактора. Сверхпроводящие селеноиды генерируют магнитное поле вокруг внутренних стенок реактора. «То есть в нашем случае вместо «велосипедной камеры», расширяющейся от накачиваемого воздуха, мы получаем «трубку», которая, расширяясь, упирается в усиленные магнитным полем стенки реактора», – рассказал Макгир. При этом в CFR используется обратная связь: чем сильнее плазма давит на стенки реактора, тем сильнее ее отталкивает от стенок магнитное поле. В результате по оценке разработчиков «бета-предел» в CFR достигает единицы. «Мы планирует получить «бета» 100% или чуть ниже», – заявил Макгир.

Это критический фактор, который позволяет CFR генерировать в 10 раз больше энергии, чем токомак, или, с другой стороны, реактор CFR можно сделать в 10 раз более компактным. Такое драматическое сокращение габаритов делает стоимость и размеры CFR ключевым фактором для стимулирования работ. «Это одна из причин, почему мы думаем, что проект вполне осуществим и с конструктивной и с экономической точки зрения, – рассказал Макгир. – В десять раз меньше – это ключ к решению проблемы, но с физической точки зрения все это еще надо заставить работать. Оптимизм внушает то, что нам удалось достигнуть довольно стабильного состояния плазмы». Добиться это удалось за счет конфигурирования сверхпроводящих соленоидов и формы магнитного поля. «В нашем случае все сбалансировано: если вы используете меньшее давление плазмы, ее объем будет меньше и ее всегда можно удержать в магнитной «ловушке», – добавил он.

Для своей работы по утверждению Макгира конструкторы «Локхида» использовали наиболее перспективные идеи, «взятые из многочисленных разработок предшественников». В том числе: использование конфигурации реактора с высоким «бета-пределом», «запирание» плазмы магнитным полем в линейное кольцо и «простое инженерное решение с осесимметричным зеркалом». «Осесимметричные зеркала» создают зоны мощного магнитного поля у противоположных концов реактора, отражая попытки плазмы вырваться вдоль оси CFR. «Также в реакторе используется рециркуляция плазмы как в поливелле », – добавил Макгир, ссылаясь на еще одно популярное в данный момент направление работ в области термоядерного синтеза. Принцип термоядерного реактора типа «Поливелл» предполагает использование облака электронов, которое удерживается магнитным полем. Внутри «облака» образуется отрицательный потенциал, который притягивает и удерживает ионы. В результате ускорения ионов при движении к центру «облака» они сталкиваются, что приводит к реакции синтеза.

Разработчики признают, что проект еще находится на ранней стадии, и многие проблемы еще предстоит решить, прежде чему можно будет приступить к строительству опытного реактора. Однако Макгир прогнозирует быстрый ход работ. С самого начала образования «Сканк уоркс» предполагалось, что «люди здесь будут работать максимально быстро», – сказал он. «Мы бы хотели закончить работу над опытным образцом в пять этапов, и если цикл работ «проект – конструкция – испытания» будет составлять один год, то все это должно занять только пять лет, после чего мы сможет представить практический результат». Предполагается, что первый прототип термоядерного реактора сможет работать циклами по 10 секунд без дополнительного подогрева плазмы. «Это, конечно, будет работа не на полную мощность, как на планируемом промышленном реакторе, но позволит продемонстрировать, что физика процесса работает», – сказал Макгир.
Реактор
Общая схема CFR: 1. Плазма в устойчивом состоянии. 2. Сверхпроводящий электромагнит 3. Корпус реактора, с системой охлаждения и облучения лития 4. Система впрыска топлива

Первый прототип серийного варианта термоядерного реактора планируется изготовить через пять лет. «Это потребует привлечения серьезных ресурсов и средств», – пояснил Макгир, так как для создания промышленного образца потребуется опыт специалистов-материаловедов, а также теплотехников и энергетиков. Первый промышленный образец предполагает получение генерирующий мощности в 100 МВт при габаритах установки 8х11 м. «Именно такие размеры мы планируем получить, что позволит разместить термоядерную электростанцию на трейлере, подобно небольшой газовой турбине, отбуксировать потребителю и запустить в течение нескольких недель», – рассказал Макгир. Предполагается, что электрогенератор реактора должен легко подключаться к генерирующей электросети. 100-Мвтный реактор может обеспечить потребности 80-тысячного города или крупного морского судна.

По оценке «Локхида» потребуется только 25 кг топлива для работы подобного реактора в течение года. С топливом для термоядерного синтеза принципиальных проблем нет: дейтерий производится из морской воды и его запасы практически не ограничены, а тритий может производиться из лития на атомных реакторах. «Мы сейчас добываем достаточно лития, чтобы обеспечить им производство трития на уже существующих в мире реакторах, так что вложения в производство трития будут относительно не большими. Тритий в больших количествах несет определенный вред для здоровья, однако в малых – вполне безопасен. К тому же его не требуется в больших количествах, так как термоядерный реактор в миллион раз мощнее химического», – заявил Макгир.

Хотя к моменту выработки своего ресурса первые термоядерные реакторы будут иметь остаточную радиацию на корпусе и других узлах реактора, Макгир отметил, что проблем с радиоактивными отходами будет заметно меньше, чем в случае обычной ядерной энергетики. «При этом практически не образуются долгоживующие изотопы: если в случае обычной атомной энергетики детали ядерного реактора остаются радиоактивными неограниченно долго, то детали и узлы термоядерного реактора сохраняют свою радиоактивность в течение только 100 лет». Более того, дальнейшая работа с подбором материалов для термоядерного реактора, которые не образуют долгоживующих изотопов, позволит еще больше снизить объем образующихся радиоактивных отходов. «Фактически сейчас сложилась ситуация замкнутого круга: пока мы не имеем реально работающего прототипа термоядерного реактора, мы не имеем средств для исследований в области материаловедения для его производства. Поэтому мы постараемся сделать первое поколение термоядерного реактора достаточно эффективным, чтобы привлечь необходимые инвестиции, которые нам потом позволят заняться его совершенствованиям, уже не внося серьезных изменений в конструкцию». Радиоактивные компоненты, отработавших свое реакторов CRF, «можно просто захоронить в пустыне на небольшой глубине, как сейчас поступают с медицинскими отходами. В этом принципиально отличие от обычных ядерных реакторов», – заявил Макгир.

Кроме того резко снижается риск загрязнения окружающей среды при авариях реакторов типа CRF. «В нем содержится очень небольшой объем радиоактивных материалов – трития, порядка нескольких граммов, так что при возможных выбросах в окружающую среду продуктов термоядерного синтеза потенциальный объем загрязнения будет минимальным», – сказал Макгир.

Полученные в результате опытов данные и прогнозируемое их улучшение на установках большего масштаба «очень многообещающие и позитивные», – заявил Макгир, – «Последние опыты по удержанию ионов в «магнитной ловушке» дали результаты, совпадающие с нашими расчетами. Сейчас мы приступили к опытам с удержанием плазмы, и на это уйдут основные наши усилия. Поэтому основной побудительной причиной придать наши эксперименты гласности является желание привлечь к нашей работе новых специалистов, которые позволят нам решить будущие проблемы при реализации проекта. Мы нуждаемся в помощи и хотим увеличить свои штаты. Перед нами стоит задача общемирового характера, и мы будем счастливы возглавить работу над ней!»

PS. «Поливелл» образовано от сочетания двух терминов на английском языке – многогранник и потенциальная яма, и представляет собой принцип удержания плазмы, сочетающий элементы квазистационарных и импульсных систем. В нашей стране, где впервые был предложен данный метод удержания плазмы, использовался термин «многощелевая магнитная ловушка»


На самом деле, кому лень читать всю статью, вся суть ее в последнем абзаце: "Мы нуждаемся в помощи и хотим увеличить свои штаты. Перед нами стоит задача общемирового характера, и мы будем счастливы возглавить работу над ней!"

Такие статьи об "очередном научном прорыве" обычно появляются на рубеже года и все они сводятся потом к фразе: "Дай денег!" :-) Но оцените "красоту игры": авиастроители, термояд, быстро, на столе!
Tags: локхид, термояд
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 2 comments