Американська дослідницька група Lockheed Martin, як виявилося, вже тривалий час успішно працює над перспективним джерелом енергії, яка має шанс задовольнити ненаситне світове споживання енергії. Мова йде про невеликий водневий реактор, названий «Компактним реактором синтезу» (Compact fusion reactor, CFR). Напередодні створення його робочого прототипу (якого слід чекати десь за п’ять років), компанія вирішила оприлюднити результати своєї роботи, аби залучити додаткових спонсорів та вчених.
Модель СFR
«Компактний реактор синтезу» набагато менший та безпечніший, ніж традиційні ядерні реактори. Якщо останні ґрунтуються на реакції поділу, під час якої важчі ядра розпадаються на легші й вивільняють при цьому велику кількість енергії, то в основу роботи CFR покладений зворотний принцип, а саме злиття легших ядер у важчі. Щонайважливіше, його розмір дозволить використовувати його у найширширшому спектрі практичних потреб – від міжпланетних космічних станцій до комерційних кораблів й міських енергостанцій. Він може навіть вдихнути нове життя в ідею літака на ядерному паливі, що практично ніколи не потребуватиме дозаправки – ідею, від якої відмовилися понад 50 років тому через небезпеки і складнощі, пов’язані з використанням традиційних ядерних реакторів.
Ідея ядерного синтезу, на якому працюватиме реактор, не нова. Ще з 1920-х років, коли теоретично довели, що така реакція є джерелом енергії зірок, вчені намагалися приборкати цей тип енергії. Безліч інститутів, лабораторій та компаній у всьому світі намагалися втілити різні ідеї стосовно такого джерела енергії, проте жодна з них не пішла далі експериментальної фази. У Lockheed ж кажуть, що такий «Святий Грааль» енергії вже от-от стане доступним, і ми стоїмо на порозі нової енергетичної епохи. На переломному етапі досліджень науковці проекту вирішили оприлюднити його результати, щоб залучити нові ресурси, вчених та партнерів.
Сьогодні основні роботи ведуться над створенням ключового компонента СFR. Це – захисна оболонка, яка отримуватиме розжарену плазму, всередині якої проходить реакція. Її розмір приблизно з розмір двигуна приватного бізнес-літака. Сам по собі контейнер з нержавіючої сталі, під’єднаний до сенсорів, інжекторів, турбонасоса, що створює внутрішній вакуум, та маси бататерей, мало нагадує перший крок до вирішення головоломки, яка збивала спантелику цілі покоління фізиків-ядерників. Однак це тільки на перший погляд. Про подробиці проекту розповів його керівник – авіаційний інженер підрозділу Lockheed Martin, названий «підрозділом революційних технологічних програм», Томас МакГвайр.
«Над питанням, як утримувати високотемпературну плазму, я замислився ще в університеті, коли був залучений у програму НАСА, що розробляла двигун для польоту на Марс», - стверджує МакГвайр, який захистив докторат у Массачуссетському технологічному інституті. «Починаючи з ранніх 2000-х я став всерйоз займатися цим питанням. Я узяв різні ідеї й об’єднав їх в одне ціле, намагаючись недоліки одного проекту компенсувати перевагами іншого. Як наслідок, на основі попередніх розробок після років напруженої праці наша команда розробила цілком новий проект, який не має аналогів».
Щоб зрозуміти зміст технологічного прориву компанії Lockheed, необхідно спершу ознайомитися з принципом реакції синтезу, а також з тим, як способи контролю за перебігом реакції обумовлюють як кількість отриманої енергії, так і розмір реактора.
Паливо для синтезу, що складається з ізотопів водню дейтерію та тритію, подається у вигляду газової суміші у вакуумну камеру згорання, де під дією радіо-частотного нагрівання (radio-frequency heating) вона розпадається на позитивно заряджені йони та негативно заряджені електрони, тобто стає плазмою.
Супергарячу плазму утримує магнітне поле, яке запобігає її контакту зі стінками контейнера. Досягаючи критичного значення густини, йони плазми долають сили взаємного відштовхування й зливаються докупи, утворюючи гелій-4. Під час реакції утворюються високоенергетичні нейтрони, які опромінюють та нагрівають стінки реактора. Ззовні він під’єднаний до передавачів тепла, які обертають турбіну генератора, що виробляє електроенергію.
Досі в основі систем контрольованого термоядерного синтезу лежав пристрій, який утримує плазму у формі торуса («бублика»), підтримуючи реакцію за допомогою індукування електричного струму всередині самої плазми. Цей пристрій називається токамаком, а його розробили вчені в СРСР ще у 1950-х рр. Основний недолік токамака полягає в тому,що його енергетична віддача приблизно дорівнює кількості енергії, яку слід прикласти, щоб запустити реакцію.
Удосконалений токамак, названий Міжнародним термоядерним експериментальним реактором (ІТЕR), сьогодні споруджується у м. Кадараш на півдні Франції. Його проектна потужність становить близько 500 МВт. За розрахунками дослідників, силова установка ITER запрацює у експериментальному режимі, як мінімум, наприкінці 2020-х, а його турбіни зможуть генерувати істотне значення електроенергії аж наприкінці 2040-х.
Проблема токамаків у тому, що «вони можуть вміщати лише таку кількість плазми, яка називається бета-лімітом», - пояснює МакГвайр. Бета-ліміт – це співвідношення тиску плазми до тиску магнітного поля. Для звичного токамаку він становить 5% тиску, необхідного для утримання плазми. Проводячи аналогію з велисипедною камерою, якщо у токамак вкласти надто багато енергії, він вибухне. Тому реакція у ньому може відбуватися лише за низьких значень енергії. Крім того, принцип його дії потребує значних розмірів та величезних коштів. Вартість ITER, для прикладу, 50 млрд. дол. Його розмір – 100 футів у висоту, а маса – 23 тони.
У CFR вдасться уникнути цих проблем за допомогою радикально нового способу утримання плазми. Замість того, щоб утримувати плазму всередині трубчастих кілець, серія надпровідних котушок генеруватимуть новий тип геометрії магнітного поля, що утримуватиме плазму по усьому об’єму контейнера. Систему регулюватиме механізм, який сам себе налаштовує: що ближче до стінок контейнера підходитиме плазма, тим сильніше магнітне поле повертиме її назад. Очікують, що бета-ліміт CFR буде в районі 100% аби й вище, - стверджеє МакГвайр.
Найбільша перевага CFR, порівняно з токамаками, - це його розмір. За однакового розміру, CFR здатний продукувати удесятеро більше енергії. Або, іншими словами, удесятеро менший CFR зможе генерувати стільки ж енергії, як і традиційний токамак.
Команда Lockheed Martin визнає, що перед тим, як буде споруджений життєздатний прототип, ще постане багато практичних проблем. Тим не менше, МакГвайр очікує швидкого прогресу, адже, за його словами, менталітет компанії і «темп, з яким вона працює, – неймовірно швидкі». Створення прототипу, який зможе підтримувати реакцію впродовж 10 секунд після вимкнення інжекторів палива, вчений очікує протягом 5 років. «Це – не робочий, а експериментальний прототип. Він не працюватиме на повну потужність, а демонструватиме тільки, що покладений в його основу принцип працює».
Створення ж робочої версії займе приблизно ще 5 років. «Це буде набагато більші зусилля», - стверджує МакГвайр, адже, окрім камери згорання, слід буде розробити ще й усі суміжні агрегати – теплообмінник, турбіну й под.
Готовий пристрій зможе генерувати до 100 МВт енергії, а його розмір (23 х 43 футів) дозволить вмістити його в напівпричіп вантажівки. Одного такого реактора вистачить, що постачати енергією 80.000 будинків.
На рік роботи йому вистачить 25 кг палива – суміші дейтерію з тритієм. Дейтерій міститься у морській воді, тому його запаси можна вважати практично невичерпними. А тритій добувають у традиційних ядерних реакторах з літію. «Світове виробництво тритію дає змогу постачати цілу армаду подібних реакторів», - каже головний інженер проекту.
Розмір реактора – запорука його безпеки. «Тритій – радіоактивний. Тим не менше, у малих кількостях він відносно безпечний. Щоб реактор працював, потрібна лише мізерна його кількість. Адже реакція синтезу у мільйони разів потужніша, ніж звичайна хімічна реакція. Маса палива в його активній зоністановитиме лише кілька грам. Щоб підтримувати реакцію, паливо постійно доставлятимуть ззовні. Це мінімізує ризик розплавлення активної зони і радіоактивного викиду», - пояснює МакГвайр
Зреферував Євген Ланюк
Джерело: http://aviationweek.com/technology/skunk-works-reveals-compact-fusion-reactor-details
17.10.2014