AVIATION WEEK.
Cпрятанная в секретных глубинах лаборатории Skunk Works, исследовательская группа Lockheed Martin не афишировала свою работу. По идее, устройство, названное компактным реактором термоядерного синтеза (CFR, Compact Fusion Reactor), в котором энергия выделяется благодаря слиянию легких ядер, должно быть более безопасным, экологически чистым и мощным, чем применяемые сейчас реакторы, использующие процессы деления тяжелых ядер (к тому же такой источник энергии будет практически неисчерпаемым, поскольку мировой океан содержит более чем достаточное количество необходимых для термоядерной реакции изотопов водорода.
— Прим. АТО). Называя устройство компактным, Lockheed считает, что его масштабируемая система получится достаточно мобильной и практичной, чтобы найти применение в межпланетных космических кораблях, коммерческих морских лайнерах и городских электростанциях. Оно даже может оживить концепцию большого самолета с ядерной силовой установкой, которому никогда не потребуется заправка, — подобные идеи были отброшены более 50 лет назад из-за сложности и потенциальной опасности ядерных реакторов, основанных на делении урана или плутония.Впрочем, далеко не нова и идея термоядерного синтеза, в котором легкие ядра (например, изотопы водорода дейтерий или тритий) объединяются в более тяжелые ядра (например, гелия), причем в этих процессах тоже выделяется энергия. Примерно с 1920-х гг., когда физики пришли к пониманию того, что звезды разогреваются и излучают энергию именно благодаря термоядерным реакциям, ученые старались разработать систему, в которой удалось бы реализовать управляемую термоядерную реакцию (с неуправляемой получилось — это так называемая водородная бомба, в которой термоядерная реакция разжигается путем подрыва плутониевой атомной бомбы, что приводит к еще более мощному взрыву.
— Прим. АТО).Многие исследовательские лаборатории и институты по всему миру и сейчас занимаются проблемой термоядерного синтеза, но продвинуться никому пока не удалось (В 1980-х гг. в научной среде царила полная уверенность, что к 2000 г. будет запущен первый термоядерный реактор-демонстратор, в котором будет достигнут нулевой баланс энергии, потраченной на запуск реакции, и энергии, выделившейся в результате термоядерного синтеза. Однако такой демонстратор не создан до сих пор, строительство международного экспериментального термоядерного реактора ITER, в котором участвует и Россия, планируется завершить к 2020 г. Основные проблемы оказались не в области физики, поскольку понимание всех процессов достигнуто очень глубокое, а в области инженерной реализации реактора. Например, раскаленная плазма, еще не достигнув температуры термоядерной реакции, начинает своим излучением слегка испарять стенки реактора. А выбитые атомы попадают в плазму, охлаждают ее и не дают начаться термоядерному синтезу. — Прим. АТО).
Видимо, Lockheed решила, что она близка к успеху и можно обнародовать свои работы, привлечь новых партнеров, исследователей и инвесторов.
Хотя компания уже делилась ограниченной информацией о CFR в 2013 г., сейчас Lockheed раскрывает новые детали своей работы. Журнал Aviation Week впервые получил эксклюзивное приглашение пронаблюдать эксперимент в Skunk Works, называемый T4. Работой руководит Томас МакГвайр, авиационный инженер в подразделении Skunk Works, метко названном отделом революционных технологических программ. Нынешние эксперименты ведутся с ловушкой для удержания плазмы, по размерам сравнимой с двигателем бизнес-джета. Контейнер из нержавеющей стали, к которому подключены датчики, трубки, турбонасос для создания вакуума и огромный набор электрических батарей, не производит впечатления устройства, способного решить проблему, с которой не справились поколения физиков-ядерщиков, — проблему эффективного управления термоядерной реакцией.
"Я занимался этим в институте в рамках исследования NASA, посвященного тому, как быстро добраться до Марса", — говорит МакГвайр, получивший докторскую степень (PhD) в Массачусетском технологическом институте (одном из лидирующих мировых научных центров. — Прим. АТО). Изучение публикаций, посвященных космическим двигателям на термоядерном реакторе, оказалось бесперспективным. "И тогда в начале 2000-х я начал изучать все идеи, которые были опубликованы. Я взял эти идеи и сделал из них что-то новое, разбирая проблемы по одной и пытаясь решать их так, чтобы это шло на пользу решению других проблем, — говорит МакГвайр. — Так что здесь, в лаборатории Lockheed, мы сделали нечто принципиально новое и сейчас занимаемся испытаниями".
Чтобы понять, в чем достижение концепции Lockheed, полезно разобраться, как происходит реакция синтеза и какое фундаментальное влияние оказывают методы управления реакцией как на количество выделяемой энергии, так и на масштабы реактора. Топливо для синтеза, состоящее из дейтерия и трития, в виде газа впрыскивается в камеру-ловушку, в которой создан вакуум. Разогрев осуществляется электромагнитым излучением радиочастотного диапазона, и атомы газа распадаются на ионы и электроны, формируя плазму.
Сверхгорячая плазма управляется сильными магнитными полями, которые не дают ей приблизиться к стенкам камеры, и, если удастся достичь необходимой плотности, положительно заряженные ядра дейтерия и трития начнут преодолевать силу электромагнитного отталкивания. В результате столкновений получаются ядра гелия-4 и нейтроны, которые уносят избыточную энергию, беспрепятственно пролетают сквозь удерживающее магнитное поле и разогревают стенки реактора, а дальше тепло через обычные теплообменники может использоваться для привода турбины и электрогенератора.
До сих пор большинство термоядерных устройств строилось по принципу токамака, придуманного в России в 1950-х гг. (токамак — ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками. — Прим. АТО). В токамаке используется магнитное поле для удержания плазмы в виде тора, или бублика, а разогрев плазмы возникает за счет электрического тока, индуцированного в ней другим набором электромагнитов. Проблема такого подхода в том, что в случае реакции выделяется примерно столько же энергии, сколько требуется для ее запуска и поддержания в устойчивом состоянии.
Ожидается, что самый продвинутый на сегодня проект этого типа — уже упомянутый международный реактор ITER, который строится сейчас в г. Кадараш (юг Франции), — будет иметь мощность 500 МВт. Однако выход на промышленную эксплуатацию подобных реакторов и выработка существенных объемов электроэнергии едва ли произойдут ранее 2040-х гг.
"Проблема с токамаками в том, что они могут удерживать только большое количество плазмы, — говорит МакГвайр, — Мы называем это бета-лимитом, который измеряется как отношение давления плазмы к давлению магнитного поля. Для среднего токамака бета-лимит довольно низкий, всего около 5% от удерживающего давления". Сравнивая плазменный тор с велосипедной шиной, МакГвайр говорит: "Если накачать слишком сильно, удерживающая газ покрышка лопнет и взорвется, поэтому для безопасной эксплуатации этого следует избегать". Наряду с низкой эффективностью физика токамака требует больших размеров устройства и, соответственно, ведет к его высокой цене. Например, стоимость ITER оценивается в 50 млрд долл., и после завершения сборки установка весом 23 тыс. т будет иметь высоту более 30 м (впрочем, надо отметить, что международное сообщество приняло решение строить ITER именно по принципу токамака, поскольку этот подход считается наиболее перспективным. — Прим. АТО).
CFR сможет избежать этих проблем, поскольку удержание плазмы производится совершенно другим способом. Вместо заточения плазмы внутри круглого кольца, набор сверхпроводящих катушек будет создавать другую геометрию магнитного поля, в которой плазма удерживается в более широком объеме всей ловушки. Сверхпроводящие магниты будут создавать магнитное поле вокруг внешней границы ловушки. "Образно говоря, вместо велосипедной шины, которая надувается в воздухе, мы получим нечто похожее на шланг, который упирается в твердую стенку", — считает МакГвайр. Система регулируется автоподстройкой с помощью механизма обратной связи, в результате действия которого чем дальше плазма продвигается к выходу из ловушки, тем сильнее магнитное поле вталкивает ее обратно. Ожидается, что бета-предел у CFR получится около 1. "Мы дойдем до 100%-ного отношения и даже больше", — уверяет МакГвайр.
Это критическое отличие означает, что CFR будет генерировать в 10 раз больше энергии, чем токамак таких же размеров. Другими словами, при одинаковой мощности CFR должен получиться в 10 раз компактнее. "Изменение в размерах принципиально меняет правила игры в терминах производительности и стоимости, — объясняет МакГвайр. — Это одна из причин, по которой мы считаем наш проект целесообразным для развития и будущего применения. Размеры в 10 раз меньше, но наши физические расчеты говорят, что он должен работать, поскольку мы смогли придумать внутренне стабильную конфигурацию. Такая стабильность обеспечивается расположением сверхпроводящих катушек и формой силовых линий магнитного поля. В нашем случае все сбалансировано. Так что если понижается внутреннее давление, плазма занимает меньший объем, но все равно остается схваченной в магнитной ловушке",
В целом, МакГвайр утверждает, что разработка Lockheed учитывает хорошие стороны многих других конструкций: "В ней сочетаются конфигурация с высокой бета, использование для удержания плазмы конфигурации кольцевого магнитного поля с силовыми линиями в форме заостренных выступов и инженерная простота осесимметричного зеркала". Осесимметричное зеркало создается благодаря расположению зон с высоким магнитным полем с обеих концов ловушки, так что они отражают значительную долю частиц плазмы, стремящихся вылететь вдоль оси CFR".
Группа признает, что ее проект находится на самых ранних стадиях и перед созданием прототипа предстоит решить множество ключевых проблем. Тем не менее МакГвайр ожидает быстрого прогресса. "У сотрудников лаборатории Skunk Works определенный образ мыслей, и темп работы у них очень высокий, — говорит МакГвайр. — Мы хотели бы создать прототип через пять поколений экспериментальных конструкций. Если мы сумеем выдерживать наш план по созданию новой установки каждый год, нам потребуется около пяти лет, и мы уже показали, что можем сделать в лаборатории". Прототип должен продемонстрировать условия запуска реакции и способность проработать до 10 с в стабильном состоянии, после того как будут выключены инжекторы, используемые для зажигания плазмы. "Так что он проработает на полной мощности, как промышленный реактор, но только чтобы показать, что вся физика работает", — говорит МакГвайр.
После этого в течение пяти лет должен быть изготовлен опытный промышленный прототип. Это потребует больших усилий, поскольку для перехода к серийному производству понадобятся специалисты в области материаловедения и теплопереноса, а также разработчики газовых турбин. Первые реакторы должны будут иметь мощность около 100 МВт и помещаться в транспортировочный контейнер размерами 23 х 43 фута для удобной транспортировки. Планы предполагают использование существующих электросетей. Блок мощностью 100 МВт будет производить достаточно энергии для 80 тыс. домов в городах США, где не хватает энергии. Кроме того, такой реактор можно разместить на корабле.
По оценкам Lockheed, менее 25 кг термоядерного топлива будет достаточно для одного года работы реактора. Недостатка в топливе тоже нет. Дейтерий добывается из морской воды, поэтому его запасы считаются неограниченными, а тритий можно вырабатывать из лития путем обработки нейтронами от ядерных реакторов. "У нас уже добыто достаточно лития, чтобы обеспечить парк реакторов по всему миру, так что недостатка в тритии тоже не будет — говорит МакГвайр. — Требуется не так много, чтобы обеспечить топливом реактор, который в миллион раз мощнее химического".
Хотя реакторы первого поколения к концу срока службы будут иметь радиоактивные части, например стальные элементы оболочки, МакГвайр говорит, что риски заражения на порядок меньше, чем у существующих ядерных реакторов: "Там не будет долгоживущих радиоактивных изотопов. За 100 лет они станут безопасными, тогда как отходы ядерных реакторов остаются радиоактивными вечно". Риски радиоактивного заражения в случае аварии тоже минимальны и несравнимы с тяжелыми последствиями аварий на ядерных реакторах.
Предварительное компьютерное моделирование и экспериментальные результаты выглядят многообещающе, как говорит МакГвайр. Недавние эксперименты проводились с удержанием в магнитной ловушке ионов, и результаты измерений показывают, что ионы ведут себя так, как и предполагалось. "Мы начинаем работу с удержанием плазмы, — говорит МакГвайр, — и здесь придется потратить много усилий. Одна из причин, почему мы стали больше рассказывать о своем проекте, заключается в том, что мы расширяем свою команду по мере того, как выходим на новые большие проблемы. Нам нужны помощники, и мы хотим, чтобы в проекте участвовали другие люди. Это глобальное предприятие, и мы счастливы быть в нем лидерами". (Идея Lochheed представляется весьма любопытной, однако пока трудно сказать, удастся ли достичь успеха на этом пути. В области термоядерного синтеза было перепробовано огромное количество идей, и многие перспективные на первый взгляд предложения оказались тупиковыми. Тем не менее проект заслуживает самого серьезного внимания, а последствия в случае его успеха могут оказаться глобальными, — ведь ключ к избавлению человечества от энергетической зависимости окажется не у международного сообщества ученых, как в случае с ITER, а в руках одной компании. — Прим. АТО).
Свежие комментарии