Американская исследовательская группа Lockheed Martin уже длительное время работает над перспективным источником энергии, который имеет шанс удовлетворить мировое потребление энергии. Речь идет о небольшом водородном реакторе, названный «Компактным реактором синтеза» (Compact fusion reactor, CFR).
Накануне создания его рабочего прототипа (которого следует ожидать где-то за 5 лет), компания решила обнародовать результаты своей работы, чтобы привлечь дополнительных спонсоров и ученых.
Идея ядерного синтеза, на котором будет работать реактор, не нова. Еще с 1920-х годов, когда теоретически доказали, что такая реакция является источником энергии звезд, ученые пытались обуздать этот тип энергии. Множество институтов, лабораторий и компаний во всем мире пытались воплотить различные идеи относительно такого источника энергии, однако ни одна из них не пошла дальше экспериментальной фазы. В Lockheed говорят, что такой «Святой Грааль» энергии уже вот-вот станет доступным, и мы стоим на пороге новой энергетической эпохи.
Сегодня основные работы ведутся над созданием ключевого компонента СFR. Это — защитная оболочка, которая будет получать раскаленную плазму, внутри которой проходит реакция. Ее размер примерно с размер двигателя частного бизнес-самолета. Сам по себе контейнер из нержавеющей стали, подключенный к сенсорам, инжекторам, турбонасоса, что создает внутренний вакуум, и массы батарей, мало напоминает первый шаг к решению головоломки, которая сбивала с пути целые поколения физиков-ядерщиков. Однако это только на первый взгляд. О подробностях проекта рассказал его руководитель — авиационный инженер подразделения Lockheed Martin, названный «подразделением революционных технологических программ», Томас Макгвайр.
«Над вопросом, как удерживать высокотемпературную плазму, я задумался еще в университете, когда был вовлечен в программу НАСА, которая разрабатывала двигатель для полета на Марс», — утверждает Макгвайр, который защитил докторскую в Массачуссетском технологическом институте. «Начиная с ранних 2000-х я стал всерьез заниматься этим вопросом. Я взял различные идеи и объединил их в одно целое, пытаясь недостатки одного проекта компенсировать преимуществами другого. Как следствие, на основе предыдущих разработок после долгих лет напряженного труда наша команда разработала совершенно новый проект, не имеющий аналогов».
Чтобы понять смысл технологического прорыва компании Lockheed, необходимо сначала ознакомиться с принципом реакции синтеза, а также с тем, как способы контроля за ходом реакции обусловливают как количество полученной энергии, так и размер реактора.
Топливо для синтеза, которое состоит из изотопов водорода дейтерия и трития, подается в виде газовой смеси в вакуумную камеру сгорания, где под действием радио-частотного нагрева (radio-frequency heating) она распадается на положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны, то есть становится плазмой.
Супергорячую плазму удерживает магнитное поле, которое предотвращает ее контакт со стенками контейнера. Достигая критического значения плотности, ионы плазмы преодолевают силы взаимного отталкивания и сливаются вместе, образуя гелий-4. Во время реакции образуются высокоэнергетические нейтроны, которые облучают и нагревают стенки реактора. Внешне он подключен к передатчикам тепла, которые вращают турбину генератора, вырабатывающего электроэнергию.
Проблема токамаков в том, что «они могут вместить лишь такое количество плазмы, которое называется бета-лимитом», — объясняет Макгвайр. Бета-лимит — это соотношение давления плазмы к давлению магнитного поля. Для привычного токамака оно составляет 5% давления, необходимого для удержания плазмы. Проводя аналогию с велосипедной камерой, если в токамак вложить слишком много энергии, он взорвется. Кроме того, принцип его действия требует значительных размеров и огромных средств. Стоимость ITER, например, 50 млрд. долл. Его размер — 100 футов в высоту, а масса — 23 тонны.
В CFR удастся избежать этих проблем с помощью радикально нового способа удержания плазмы. Вместо того, чтобы удерживать плазму внутри трубчатых колец, серия сверхпроводящих катушек будет генерировать новый тип геометрии магнитного поля, и будет удерживать плазму по всему объему контейнера. Систему будет регулировать механизм, который сам себя настраивает: чем ближе к стенкам контейнера подходить плазма, тем сильнее магнитное поле будет возвращать ее обратно. Ожидается, что бета-лимит CFR будет в районе 100% — утверждает Макгвайр.
Самое большое преимущество CFR по сравнению с токамаком, — это его размер. При одинаковых размерах, CFR способен производить в десять раз больше энергии. Или, другими словами, в десять раз меньше CFR сможет генерировать столько же энергии, как и традиционный токамак.
Команда Lockheed Martin признает, что перед тем, как будет построен жизнеспособный прототип, еще появится много практических проблем. Тем не менее, Макгвайр ожидает быстрого прогресса. Создание прототипа, который сможет поддерживать реакцию в течение 10 секунд после выключения инжекторов топлива, ученый ожидает в течение 5 лет. «Это — не рабочий, а экспериментальный прототип. Он не будет работать на полную мощность, а будет демонстрировать только, что положенный в основу принцип работает».
Создание же рабочей версии займет примерно еще 5 лет. «Это будет гораздо большие усилия», — утверждает Макгвайр, ведь, кроме камеры сгорания, необходимо будет разработать еще и все смежные агрегаты — теплообменник, турбину и др.
Готовое устройство сможет генерировать до 100 МВт энергии, а его размер (23 х 43 футов) позволит вместить его в полуприцеп грузовика. Одного такого реактора хватит, чтобы поставлять энергию в 80 тыс. домов.
На год работы ему хватит 25 кг топлива — смеси дейтерия с тритием. Дейтерий содержится в морской воде, поэтому его запасы можно считать достаточными. (Но получить его ведь тоже нужно...). А тритий добывают в традиционных ядерных реакторах с лития.
Размер реактора — залог его безопасности. «Тритий — радиоактивный. Тем не менее, в малых количествах он относительно безопасен. Чтобы реактор работал, нужно только мизерное его количество. Ведь реакция синтеза в миллионы раз мощнее, чем обычная химическая реакция. Масса топлива в его активной зоне будет составлять всего несколько грамм. Чтобы поддерживать реакцию, топливо будут постоянно доставлять извне. Это минимизирует риск расплавления активной зоны и радиоактивного выброса», — объясняет Макгвайр.
Время расставит все точки на свои места.
Информация на сайте
Немає коментарів:
Дописати коментар