Симуляция — путь к ядерному синтезу

Физики из национальной лаборатории Сандия выяснили, что определенная разновидность системы для управляемого синтеза может обеспечить тысячекратное превышение энергетического выхода над затратами электричества, необходимого для розжига ядерной реакции.

Z-машина (Z-Machine) за работой. Молнии — побочный эффект, возникающий в момент прохождения колоссального электромагнитного импульса

Исследованный, пока только в теории, метод получения энергии называется «намагниченный инерциальный синтез» (magnetized inertial fusion — MIF). Вкратце он работает так. Сначала готовят небольшую топливную капсулу цилиндрической формы. С внутренней стороны этой оболочки размещают замороженные дейтерий и тритий, а в центре — те же изотопы, но газообразные. Капсулу помещают в сердцевину машины. Там, чуть ниже и выше капсулы, расположены две электромагнитные катушки. При запуске аппарата сначала сравнительно маломощный лазер подогревает топливный заряд. Далее через катушки пропускается ток, который создает вертикальное магнитное поле, проникающее в оболочку топливного заряда. В следующее мгновение уже сама оболочка генерирует очень сильный импульс магнитного поля за счет прохождения через нее чрезвычайно большого тока (в десятки мегаампер).

MagLIF — прототип системы, окружающей «ядерную» мишень. Хорошо видны верхняя и нижняя магнитные катушки

Это второе поле и породивший его ток производят сразу два важных эффекта. Они заставляют оболочку капсулы сжаться в несколько раз. И они же сжимают и концентрируют силовые линии от первого поля.

Суммарный эффект приводит к тому, что оболочка превращается в плазму, а в газообразной смеси трития и дейтерия запускается реакция синтеза. При этом развивается столь высокая температура, что синтез уже начинает идти и в ранее замороженном ядерном горючем.

Сжатое магнитное поле играет роль занавеса, хотя бы на мгновения, но удерживающего быстрые альфа-частицы и электроны от разлета и уноса энергии из зоны реакции. Это повышает время существования плазмы настолько, что все топливо успевает нормально отработать. А ведь описанные выше процессы крайне быстротечны. Все они должны проходить за десятки-сотни наносекунд.

Здесь очень важной оказалась величина импульса тока, подаваемого на оболочку цели. Компьютерная симуляция выявила, что при 60 мегаамперах в ходе термоядерной реакции освободится в 100 раз больше энергии, чем было затрачено на запуск установки. А при 70 мегаамперах отдача будет уже в 1000 раз больше затрат. Это позволяет надеяться на создание работоспособной системы, даже с учетом всяческих потерь при преобразовании энергии. Для создания импульса тока авторы метода предлагают использовать Z-машину, установленную в основном комплексе лаборатории Сандия в Альбукерке (на снимке под заголовком). Эта установка применяется в целом ряде экспериментов по воздействию высоких температур, полей и давлений на различные материалы. В частности, это та самая машина, которая обеспечивала рекордное ускорение твердого тела в 10 миллиардов g и превращала алмазы в жидкость.

В программе работ на Z-машине числятся и эксперименты, имеющие отношение к проблеме управляемого термоядерного синтеза. Только изучаемый до сих пор метод был немного иной.

Дело в том, что быстрое испарение специальной (сделанной из тонких струн) оболочки под действием колоссального тока рождает не только плазму, но и огромный рентгеновский импульс (до 290-350 тераватт в пике). А такой импульс может создать в твердой мишени огромные ударные волны и тем самым вызвать ее мгновенное сжатие и разогрев.

Собственно, в некоторых опытах на Z-машине ученым уже удавалось получать температуру в 3,7 миллиарда кельвинов. По идее, этого должно быть вполне достаточно для старта термоядерного синтеза, но, к сожалению, время действия этой температуры было очень коротким. Введение дополнительных катушек с полем, которое сожмется в момент запуска машины и не позволит плазме слишком быстро остыть, — это именно то, чего не хватало прежней схеме. По оценке физиков, MIF должен быть в 50 раз эффективнее, чем инерциальный термоядерный синтез, опирающийся на рентгеновский импульс.

Z-машина и ее основные части: генераторы Маркса (красный цвет на схеме) — они медленно заряжаются от обычной сети, а потом выдают импульс огромного тока и высокого напряжения, длящийся тысячные доли секунды; проводники тока (синий, голубой, серый); мишень в вакуумной камере (стрелка в центре). Для электрической изоляции отдельные высоковольтные секции машины заполнены тоннами трансформаторного масла и деионизированной воды

Один из авторов исследования Стив Слуц (Steve Slutz) говорит: «Люди не думали, что намагниченный инерциальный синтез способен дать реакцию с высокой отдачей. Но численные расчеты показывают, что так оно и есть. Сейчас мы должны посмотреть, позволит ли нам природа осуществить это. В принципе, мы не знаем, почему это не сработало бы».

Тут остаются еще вопросы. Очень многое будет зависеть от равномерности сжатия материала мишени. Любые нестабильности в созданной плазме могут погубить эффект.

Такая решетка из тонких (10 мкм) проводков служит в опытах на Z-машине источником рекордного импульса рентгена. Именно она испаряется первой при прохождении мегаамперного тока. В центре виден целевой контейнер с изучаемым образцом материала, которым может быть и дейтерий-тритиевая смесь, и что-либо еще

Для прояснения подобных тонкостей нужен натурный опыт. И в США его уже готовят. Недавно провели предварительные испытания этих самых магнитных катушек. Различные узлы для будущей установки будут сначала проходить тестирование. А какой-то практический результат исследователи ожидают получить к концу 2013 года.

Правда, ни о тысяче-, ни о стократном превышении термоядерного выхода над затратами речи не идет. Ведь нынешняя Z-машина способна выдавать импульс тока «всего» в 26 мегаампер. Но и при таком уровне можно надеяться хотя бы на паритет (равенство «входа» и «выхода») или даже на небольшое превышение отдачи над затратами.

А позже можно попробовать нарастить параметры Z-машины или построить более крупный ее вариант. В частности, специалисты лаборатории прорабатывают концепцию электростанции на инерциальном термоядерном синтезе, построенную вокруг «откормленной» Z-машины, раза в три большей по размеру, чем нынешняя. Такая установка должна оперировать ультракороткими импульсами тока в 70 мегаампер при напряжении до 24 мегавольт. Взрывая с их помощью по одной капсуле каждые 10 секунд, она генерировала бы непрерывную мощность в 300 мегаватт.

Электростанция на базе увеличенной Z-машины. Синим цветом показаны генераторы импульса высокого напряжения типа LTD (вместо генераторов Маркса на текущей версии), коричневым— радиальные линии, передающие этот импульс в центр, где набор проводников (стрелка) подводит мегаамперный ток к дейтерий-тритиевой мишени. Диаметр этой установки должен составить 104 метра

И еще интересный момент. Температура в 3,7 миллиарда кельвинов теоретически позволяет запускать и более экзотические процессы, в частности слияния ядер водорода с литием или бором. Это безнейтронные реакции (aneutronic fusion), не дающие радиации, наведенной радиоактивности и ядерных отходов.
Если проверка принципа MIF на нынешней Z-машине пройдет хорошо, можно будет говорить о рождении перспективной технологии, способной поставлять человечеству огромное количество чистой энергии.

Автор: Попов Л.
"Наука и Техника" №10(77), 2012 г.