[Перевод] Термоядерный синтез: водород и бор вместо дейтерия и трития
Прототип термоядерного реактора TAE 5-го поколения был разработан для создания температур 30 миллионов градусов Цельсия, но уже сейчас он достиг 75 миллионов градусов. И в настоящее время команда разработчиков стремится увеличить температуру в 10 раз, причем ориентируясь на более дешевое, простое и безопасное борсодержащее топливо.
Если достаточно сильно ударить ядра двух атомов друг о друга, они могут слиться и создать другой элемент. Если вы используете правильные элементы, то получившийся в результате слияния атом будет весить меньше, чем первоначальные компоненты, а разница в массе будет высвобождена в виде энергии E=mc2, как предсказывает знаменитое уравнение Эйнштейна. Если учесть, что квадрат скорости света довольно большое число, то даже небольшая масса топлива может выделить много энергии.
Но проблема в том, что атомные ядра чрезвычайно малы и положительно заряжены, они отталкиваются друг от друга, из-за чего их трудно столкнуть вместе. Тем не менее процесс синтеза постоянно происходит на Солнце. Но Солнце обладает колоссальной массой и гравитацией, которая притягивает атомы к центру звезды, заставляя их яростно колебаться и соударяться друг с другом. Сливаясь вместе, они высвобождают большое количество тепла, и такая цепная реакция не закончится в течение миллиардов лет.
Люди в течение многих десятилетий пытались воспроизвести этот процесс на Земле, привлеченные потенциальным обилием чистой энергии, причем даже более безопасной, чем ядерное деление, которое в свою очередь, несмотря на несколько громких инцидентов, остается одной из самых безопасных форм производства энергии. Пока еще ни у кого нет работающей термоядерной установки, но прогресс в этой области, похоже ускоряется.
Не имея огромной массы Солнца и его гравитационного притяжения многие попытки термоядерного синтеза на Земле полагаются на более высокие температуры, чем у нашего светила. В проектах синтеза с магнитным удержанием плазы она нагревается примерно до 100 миллионов градусов по Цельсию, что почти в 4 раза горячее, чем в ядре Солнца. Тепло — это движение на атомном уровне, поэтому ожидается, что это дополнительное движение столкнет атомы плазмы друг с другом достаточно сильно, чтобы преодолеть ядерное отталкивание и началась реакция синтеза.
Но заметьте, предполагается, что вы используете тритий и дейтерий в качестве топлива. Например, этот способ реализует масштабный международный проект ИТЭР (ITER). Но у трития есть свои проблемы — он радиоактивный и облучает материалы реактора. Еще хуже тот факт, что он достаточно редок — сегодня в мире накоплено всего около 25 килограммов этого вещества, и, по собственным оценкам ИТЭР рассчитывает использовать почти всё это количество в экспериментах. Поэтому дефицит и радиоактивность делают термоядерную энергию достаточно дорогой.
Michl Binderbauer
«Практические ограничения немедленно становятся ограничениями по стоимости», — говорит Michl Binderbauer — генеральный директор TAE Technology (раннее называвшейся Tri Alpha Energy). Эта калифорнийская компания, основанная еще в 1998 году, как дочерняя компания Калифорнийского университета в Ирвине, привлекла более 1,2 миллиарда долларов США от таких инвесторов, как Google, Chevron, Goldman Sachs, Пол Аллен, семья Рокфеллеров и других. Собранные средства используются для создания ряда прототипов, которые постепенно увеличиваются в размерах.
Этапы развертывания термоядерного реактора
К началу 2030-х годов версия прототипа Да Винчи должна стать первой термоядерной электростанцией, поставляющей энергию в сеть
Четвертый прототип, названный Norman, в честь его разработчика Нормана Ростокера (Norman Rostoker), был построен в 2017 году и рассчитан на температуру плазмы 30 млн °C. Однако Норман получился намного лучше, чем запланировано. TAE продемонстрировал способность поддерживать плазму при температуре 75 млн °C, что позволило компании опередить график. Но конструкторы не нацелены даже на 100 миллионов градусов — их задача миллиард градусов Цельсия.
TAE надеется, что тритий будет просто демонстрационной точкой на пути к тому, чего компания действительно хочет достичь — синтез водорода и бора. У бора есть все преимущества, которых нет у трития: процесс не сопровождается никакой радиоактивностью, а на выходе получается гелий — химически инертный и безопасный, настолько насколько это вообще возможно. Бор сегодня производится метрическими тоннами. Он используется в моющих средствах — это товарный продукт, его можно найти повсюду.
Недостатком является то, что атом бора больше, чем тритий, с большим количеством положительных зарядов в ядре, поэтому в конструкции с магнитным удержанием нужно использовать гораздо больше энергии. Энергии на миллиард градусов.
Чтобы достичь температуры в 10 раз выше, чем то, к чему даже стремятся токамаки мира, TAE пришлось спроектировать совсем другой реактор, конструкция которого перекликается с ускорителем частиц в ЦЕРНе, где субатомные частицы разгоняются до астрономических величин и достигается температура в 5 триллионов градусов или ее эквивалент. Но для проекта TAE нужен только миллиард.
К концу 1990-х команда проработала достаточно много теоретического материала, провела моделирование и симуляцию процессов. В результате через 20 лет приступила к работе уже над физическими прототипами. Это был путь не столько научных открытий, сколько отработки технологий и создания инженерных компонентов.
Ускорители частиц текущего поколения (желтые цилиндры) позволяют разогреть плазму до 75 миллионов градусов
В то время как ускоритель частиц Большого адронного коллайдера представляет собой кольцо длиной 27 км, установка TAE удивительно компактна. «По сравнению с ЦЕРНом наши цифры выглядят смешными, — продолжает Биндербауэр. — Они могут создавать триллионы градусов, нам нужно в 1000 — 10 000 раз меньше. Они ускоряют более или менее отдельные частицы до 99,999% скорости света в вакуумной системе. Они работают на гораздо более высоком токе — миллионы ампер, мы же работаем с сотнями ампер. Нам же нужно «толкать» гораздо больше частиц, с более низкой энергией и скоростью. Так что наши показатели намного скромнее с точки зрения физического масштаба».
Токамак ИТЭР
Вместо того, чтобы вращать свою плазму в форме пончика, TAE удерживает ее на месте, ограничивая перемещение мощными магнитными кольцами. Это магниты с простой геометрией — плазма выглядят, как эллипсоид и вращается внутри цилиндра вдоль его оси. У разработчиков есть возможность управлять вращением и благодаря гироскопической стабилизации она очень устойчива и предсказуема.
Реактор в разрезе, показывающий, как плазма удерживается и вращается в середине цилиндра
Удержание и вращение плазмы
Это более или менее похоже на выпрямленную часть тора токамака, но с существенным улучшением — магниты можно легко удалить или заменить без необходимости разборки всей установки. TAE может использовать диверторы (отводящие устройства) для отбора материи в любом конце трубы, действуя как «мусорные баки» для поглощения примесей и частиц выхлопных газов. В токамаке же это сопряжено с огромными проблемами. Норман собран из цилиндров около трех метров в диаметре, изготовленных из простого листового металла. Причем, в случае возникновения проблемы с теплопередачей, исследователи могут просто удвоить размер.
С точки зрения магнитной эффективности, являющейся основным параметром, в TAE она составляет около 90%, против около 10% в токамаке. Магниты являются большой и дорогой частью термоядерных систем, поэтому, если их эффективно использовать, то можно вырабатывать и более дешевую энергию.
Благодаря тому, что машина пятого поколения имеет показатели на 250% выше проектных, исследователи начинают понимать, что чем горячее становится плазма, тем лучше работают ускорители частиц и системы магнитного удержания. Таким образом есть высокая степень уверенности, что можно достичь не только 150 миллионов градусов для трития, но и миллиарда градусов и выше, необходимых для бора. Это будет в конце десятилетия или в начале 30-х.
Следующий прототип, система Коперник (Copernicus) 5-го поколения, рассчитана на достижение температуры 100–150 миллионов градусов для того, чтобы доказать свою способность для синтеза трития.
TAE нацелилась на 2025 год для своей первой демонстрации положительного по энергии синтеза трития
Коперник разработан для демонстрации положительного энергетического баланса, т.е. больше единицы, что означает, что он будет генерировать больше энергии, чем использует. Если и когда это удастся, разработчики перейдут к последнему шагу, машине Да Винчи (Da Vinci), которая доведет процесс до водородно-борных условий. Машина Да Винчи будет прототипом электростанции, выдающей ток от паротурбинного генератора.
Ожидания от инвестиций
В современном мире от инвесторов TAE требуется огромное терпение. Да, конечно же машины передовые и дорогие, но коммерческая отдача от них далеко за горизонтом. Подход компании заключается в работе над моделью «деньги после этапа» и направлен на снижение максимально возможного инвестиционного риска. Есть независимая научная группа, состоящая из самых ярких специалистов в области термоядерной физики, у которых нет ни акций, ни какой-либо доли в компании. Но они приходят два раза в год, им платят за их время, они проверяют работу и дают независимое подтверждение того, достигли ли разработчики определенного рубежа.
С другой стороны, у инвесторов есть потенциальное вознаграждение — владение технологией экологически чистой энергии, которая использует обильные, простые и дешевые виды топлива. Помимо этого, технология позволяет реагировать на скачки потребления электроэнергии, переходя от температуры окружающей среды к миллиарду градусов за несколько тысячных долей секунды. Таким образом, мощность установки может увеличиться, производя относительно быстрый нагрев воды и вращение турбин.
Что касается последнего пункта, то команда работает над системой прямого преобразования энергии, которая полностью исключит громоздкую турбину и заменит ее твердотельным устройством преобразования излучения в электроэнергию. Это отдаленно напоминает работу солнечных панелей, но в данном случае происходит преобразование не света, а мягкого рентгеновское излучения.
Стоимость электроэнергии и отношение общества к термояду
США электричество, вырабатываемое на газовых электростанциях, может стоить в диапазоне от одного до двух центов за киловатт-час. Атомная энергия, особенно с высоким уровнем безопасности АЭС, дороже и может быть на уровне 10–15 центов. Компания TAE ожидает, что их электростанция первого поколения будет производить электроэнергию по цене около 6–7 центов за киловатт-час. Причем эта цена без учета углеродных кредитов и субсидий. Но это будет первая электростанция, а в дальнейшем цены должны снизиться.
Вместе с тем компания предполагает, что ее электростанция не будет самым дешевым источником энергии, однако она будет практичной, полностью зеленой и с низкой ресурсоемкостью. Такие станции смогут безопасно работать даже в мегаполисах и по всему миру.
Безопасность является одним из ключевых преимуществ термоядерного синтеза по сравнению с ядерным делением. Правда придется провести просветительскую работу, поскольку каждый раз, когда кто-то слышит, что реактор планирует работать с субстанцией, которая почти в 40 раз горячее, чем ядро Солнца у многих возникают опасения. Чиновники, например, всё время задают вопрос: миллиард градусов, разве это не расплавит реактор и не приведет к взрыву.
Взрыва нет не будет. ЦЕРН без происшествий достиг температуры более пяти триллионов градусов. Люди должны понимать, насколько малы атомы и как быстро рассеивается тепло. Если взять плазму с температурой 75 миллионов градусов и поместить в нее кубик льда, то … лед превратится в воду и даже не нагреется. Произойдет просто фазовый переход. Но большинству людей это совершенно непонятно. В реакторе нет расплавления активной зоны. У боро-водорода нет и радиоактивности. Процесс синтеза безопаснее, чем процесс расщепления и это надо донести до общественности. Но если к термоядерному синтезу относиться так же, как к ядерному делению, то регулирование этого направления отрасли будет длительным и сложным. Бюрократическая волокита может добавить лет 10 лет к срокам коммерциализации термоядерной энергии и соразмерно увеличит цену за электричество.
Команда TAE на фоне прототипа Norman
Видео по теме.
В статье использованы фото TAE Technologies и журнала Science.
