Чистая энергия за копейки
Когда появятся термоядерные электростанции? Ученые чаще всего говорят, что-то вроде «через 20 лет мы решим все принципиальные вопросы». Инженеры из атомной индустрии говорят про вторую половину 21 века. Политики рассуждают про море чистой энергии за копейки, не утруждая себя датами. Экономисты говорят — никогда.
Создатели первого в мире токамака Т-1 Арцимович, Явлинский тоже обещали электростанции через 20 лет.
Люди склонны давать прогнозы экстраполируя имеющийся опыт. В случае попыток создания коммерческой термоядерной электростанции опыт отрицательный — 60 лет усилий привели к половинчатому успеху — что-то есть, но это явно не то что можно использовать каждый день для получения электроэнергии. Интуиция говорит, что если за 60 лет мы не преодолели эту стену, то и в будущем чего-то хорошего ждать не стоит.
И зря. Потому что сумма технологий и знаний непрерывно растет, в том числе о плазме и ее удержании. В какой-то момент наших знаний станет достаточно, что бы в обычном и рутинном процессе инвестирования в развитие технологии, без особых подвигов, термоядерная энергетика стала возможной.
Вот, к примеру, рутинный пример работы на установке C-2U фирмы Tri Alpha Energy
На пути к этому «возможно» сегодня во многом стоят психологические барьеры. Слишком часто разработчики термоядерных реакторов сталкивались с непредсказуемостью, завышенными оценками, новыми неприятными фактами из области физики плазмы. Слишком часто путь борьбы с этими фактами заводил концепцию в экономический тупик, когда к простой изначально машине прикручивалось два десятка инженерных чудес, а получающаяся в итоге установка сама становилась рекордным решением, в котором не оставалось места для «удобства эксплуатации», «надежности», «дешевизны».
Роскошный новый постер с разрезом ИТЭР намекает на глубину жопы проблемы с сложностью термоядерных установок.
На этом фоне очень сложно взять на себя ответственность за решение будущих, еще неизвестных проблем и постулировать, что термоядерный реактор можно построить, даже если физика и инженерия впервые зажигают зеленый свет. Что, если при росте размеров реактора откроется новый неприятный тип неустойчивости? Что если экономика вчерашних гениальных инженерных находок, которые позволяют сделать реактор, окажется ниже плинтуса? Что если материалы термоядерного реактора при увеличении длительности работы с 10 до 31000000 секунд не будут выдерживать?
Официальные планы Европы даже в очень оптимистичном виде обещают прототип термоядерной электростанции к 2050 году. Возможны ли варианты, что кто-то это сделает раньше?
На сегодня, к строительству термоядерных электростанций психологически ближе всех находится калифорнийская компания Tri Alpha Energy (TAE). Здесь команда из 150 человек, среди которых много именитых физиков-плазмистов поставлена в условия, когда они должны каждые 2–3 года показывать новое достижение в общей канве движения к коммерческой термоядерной электростанции. Фактически, им поставлен план по открытиям в области физики плазмы. Обратной стороной такого давления является сумасшедший темп воплощения идей ученых — свою немаленькую экспериментальную установку Tri Alpha легко апгрейдит за месяц после появления новых идей — сравните с годами для университетских и академических установок.
Интересное видео от TAE — восстановление картины происходящего с плазмой в установке C-2U. Обратите внимание на таймер сверху слева — становится понятным, что продержать плазму без распада 8000 микросекунд (текущий рекорд) — это довольно долго.
Идея, лежащая в основе реактора TAE — использовать плазменные вихри (называемые FRC — Field Reversed Configuration), которые обладают свойством самоудержания и еще некоторыми преимуществами, с поддержанием их стабильности с помощью инжекторов нейтральных пучков, довольно свежа — родом из середины 90. Во всяком случае это новее, чем идеи токамака, стелларатора или классической открытой ловушки. FRC обладают довольно необычным набором свойств, что в таком реакторе удобно оказывается использовать термоядерную реакцию H1 + B11 = 3*He4 (p тут — обычный водород, B11 — самый распространенный изотоп бора, а He4 — вылетающие альфа частицы, откуда и пошло название компании Три Альфа). Парадоксально тут то, что это одна из самых трудно достижимых вариантов термоядерной реакции — она требует температур в 15 раз выше, чем у «классического» дейтерий-трития, а значит и в 15 раз бОльшего давления магнитного поля для удержания и более жестких требований по чистоте плазмы.
Скорость разных термоядерных реакций при одинаковой плотности в зависимости от температуры. Обратите внимание, что шкала слева — логарифмическая. При температуре 320 кэВ pB11 почти не отличается от DHe3 и всего в несколько раз медленнее класической DT.
Однако FRC позволяют использовать практически всю величину давления магнитного поля, в отличии от токамаков, где можно использовать только 10%. Есть у pB11 и плюсы — оба компонента широко распространены и безопасны (в отличии от радиоактивного трития и изотопа гелия He3, несуществующих на Земле, причем если тритий можно хотя бы получать из лития, то He3 — только добывать где-то в космосе), а кроме того реакция не дает мощного нейтронного излучения. Для реактора на DT нейтронное излучение, уносящее 86% энергии термоядерной реакции будет настоящим бичом, быстро разрушающим и активирующим конструкционные материалы. Для pB11 мощность нейтронов будет ~0,1% мощности реактора через побочные реакции.
Сам FRC устроен схематично так — плазма во внешнем продольном поле завихряется в виде цилиндра и собственным полем удерживает саму себя. Такая конфигурация склонна быстро разрушаться, но основатель TAE предложил идею, каким образом это образование можно поддерживать, а команда TAE доказала ее правильность.
Обычно плазмисты больше обращают внимание на предельную сложность получения параметров плазмы, нужных для pB11, чем на существенные экономические плюсы этой реакции. Тритий и нейтроны в реакторе — это большущее обременение, кратно удорожающее и усложняющее концепт реактора, правда бороться с этими сложностями уже не физикам. С другой стороны возможный вариант на реакции D + He3 — практически тоже анейтронный (мощность нейтронов — 1–4% от мощности реактора) страдает от необходимости параллельно электростанциям строить и инфраструктуру по добыче гелия3, сегодня малопредставимое занятие (например его можно добывать в атмосфере Урана, как вам такой вариант? Хотя кто-то будет недоволен, что в итоге мы не возим топливо с Урана).
Для инвесторов TAE уже рисует предварительный облик термоядерного реактора мощностью 380 мегаватт (электрических). Планы — построить пятьдесят таких электростанций в 2030х годах
Водород и Бор-11 же более доступны, чем топливо ядерной энергетики — уран 235 или плутоний 239.
Tri Alpha, собрав специалистов уровня лучших мировых центров изучения термоядерной плазмы, движется очень быстро. Только в 2015 году было показано, что FRC вихри способы поддерживаться, не распадаясь, с помощью мощных касательных пучков нейтральных частиц — одно из ключевых утверждений основателя компании физика Нормана Ростокера. И вот они строят уже новую установку, где должно быть достигнуто 30-кратное увеличение тройного параметра (произведение плотности, температуры и времени удержания — основные свойства, определяющие энерговыход термоядерной реакции) плазмы. Если TAE вновь будет ждать успех, то эта установка позволит нащупать так называемый скейлинг — эмпирическую зависимость тройного параметра от характеристик установки (размеров, магнитного поля, мощности инжекторов нейтралов и т.п.). А скейлинг, в свою очередь, уже позволит с высокой точностью определить — можно ли действительно сделать реактор на базе идеи Tri Alpha, или он окажется недостижим.
Машина, собираемая TAE сейчас — C2W, будет оборудована 8 инжекторами нейтрального пучка ИЯФ, и способна удерживать FRC с температурой 1–3 кэВ и термоядерной плотностью в течении ~30 миллисекунд, возможность работы с водородной, дейтериевой и борной плазмой.
А это — далекие планы, завершающие установки линейки, уже с термоядерным выходом. Q здесь один из самых сложных для pB11 параметров — отношение термоядерного выхода к подогреву.
Интересно, что на этом пути природа, порой, подкидывает не только сложности, но и подарки. Например, во всех учебниках написано, что термоядерная реакция водород-бор (p + B11 → He4+He4+He4) в оптически прозрачной плазме всегда будет терять больше энергии, чем выделять, т.е. для ее поддержания нужен внешний подогрев — путь в идеальном случае и довольно небольшой ~15% от мощности термоядерного реактора. Эта неприятная характеристика pB11 довольно легко вычисляется из сечения (вероятности) реакции при столкновении протона и иона бора и расчета электромагнитных потерь при рассеянии горячих электронов (а pB11 требует в 20 раз большей температуры, чем ИТЭРовская реакция D+T→He + n). Так вот, новые, более точные измерения сечения реакции pB11 показали, что сечение выше, чем думали раньше. При определенных температурах по новым данным термоядерный синтез на этой реакции выделяет больше энергии, чем теряется! Интересно видеть, как переписываются учебники физики.
Новые значения сечений реакции pB11 в зависимости от температуры (красные).
И удивительный момент, когда надо переписывать учебники физики — если раньше (синий пунктир) энерговыход реакции был ниже потерь (красная линия) даже в теоретическом варианте, то теперь — примерно равен (синия линия), и даже чуть больше.
Впрочем, расстояние, которое надо преодолеть Tri Alpha еще очень велико — даже если скейлинги точны, необходимо повысить качество удержания в сотни раз — давление магнитного поля, мощность и время работы NBI и всех остальных систем. Команда TAE вполне может столкнуться с типичной проблемой термоядерных установок — они становятся слишком большими, сложными, и двигаются слишком медленно на пути к коммерческим реакторам. Переходя к цифрам, надо сказать, что сейчас рекорд температуры FRC составляет чуть меньше одной тысячи эВ, а нужно — 320 000 эВ. Время энергетического удержания — несколько миллисекунд, а нужно — десятки секунд. Плотность тоже как минимум десятикратно не дотягивает до параметров, нужных в промышленной установке. Часть из этого можно преодалеть просто увеличивая размер и мощность реактора, но часть придется наращивать качественно — улучшая чистоту плазмы, кпд работы поддерживающих систем, находя новые, более удачные, режимы работы плазмы.
Еще одна работа художника на тему возможного облика будущих машин TAE.
Картинка со звездочкой — разные варианты первой термоядерной машины Tri Alpha — с конфайментом получше и похуже. Время удержания FRC — от 7 до 30 секунд (не миллисекунд!), понадобятся системы питания FRC топливом, откачки гелиевой «золы», которая «забивает топку», новые мегавольтные инжекторы нейтрального пучка, разрабатываемые сейчас в новосибирском ИЯФ и толика удачи, что бы плазма не выкинула очередные фортели.
Tri Alpha планирует пройти этот путь (до прототипа электростанции) за 5 установок и где-то 15 лет, и получили от разнообразных инвесторов на эту работу около полумиллиарда долларов.
Фотография изнутри уже разобранной установки C-2U. Кстати, работник так оделся не для того, что бы всем было понятна его крутость, а что бы не оставить органики на внутренних стенках камеры — плазма чрезвычайно чувствительна к качеству вакуума и к загрязнениям, и один волосок в вакуумной камере может не дать провести эксперимент.
Но я не зря говорил про психологию. Пока команда ТАЕ уверенно ест глазами инвесторов, другие специалисты, неоднократно обжегшиеся на прогнозах скромнее отзываются о сегодняшних перспективах термоядерной энергетики. Тем не менее, последние теоретические идеи в Институте Ядерной Физики им. Будкера в Новосибирске, если они подтвердятся в эксперименте способны здорово упростить работу по созданию термоядерного реактора, кратно снижая его размеры и сложность.
Прежде чем рассказать про них, хочу еще раз остановится на интересном моменте. Представьте себе, что вы много десятилетий даете термоядерным физикам деньги под твердые планы «электростанция через 20 лет», и каждый раз они приходят и говорят «плазма оказалась сложнее, чем мы думали, нам надо еще 20 лет». И тут они приходят и говорят «плазма оказалась сложнее, чем мы думали, поэтому у нас появилось простое и дешевое решение, но нам надо 20 лет». Что вы им ответите? :)
Так вот, речь идет о двух пока теоретических, возможных идеях — «диамагнитный пузырь» и «плазменная накачка винтовым магнитным полем». Первая состоит в том, что бы в открытой ловушке надуть «пузырь» из плазмы, за счет чего, по сути увеличить количество плазмы и ее давление — идеальное направление движения, если мы хотим уменьшить потери энергии из термоядерной плазмы. Казалась бы тривиальная идея включает в себя несколько хитрых особенностей, понимание которых появилось в последние десятилетия. Подобный пузырь способен в ~10 раз уменьшить размеры термоядерного реактора на отрытой ловушке. Экспериментальная проверка данной идеи ожидается в ближайшие пару лет.
«Пузырь» — это действительно пузырь. Изначальный контур плазмы в ловушке типа ГДЛ выглядит как синий контур.
Схематический разрез открытой ловушки ГДЛ, на базе которой возникла идея «пузыря», и к которой применимо значительное уменьшение размеров энергетического реактора, если эта идея сработает.
Раз уж мы заговорили про отрытые ловушки — напомню, что этот простейший вариант термоядерной установки «не пошел» в свое время из-за двух основных проблем — неустойчивостей, с которыми научились бороться только в 21 веке, когда интерес к ловушкам был по большей части потерян и большой продольной теплопроводности (т.е. утекании тепла из плазмы через дырки в конце цилиндрической установки — на то она и открытая ловушка). Вторая проблема не решена до конца и сегодня, поэтому вместо дейтерия или бора приходится жечь уголь. Так вот, «плазменная накачка винтовым магнитным полем» — это прообраз магнитной системы, которая устанавливается на открытых концах ловушки и «закачивает» плазму обратно, за счет взаимодействия винтового магнитного поля с вращающейся вокруг оси плазмой, вылетающей наружу. Эффективность в подавлении продольной теплопроводности у такой системы может оказаться невероятно высокой, решив оставшуюся фундаментальную проблему ОЛ.
Принципиальная схема установки СМОЛА — слева плазменная пушка, посередине спиральная магнитная система, слева бак-расширитель с сегментированным электроном, который создает электрический градиент в плазме, который ее закручивает. Винтовую систему можно включать «вдоль» и «против» плазмы.
Самое интересное, что установка СМОЛА для проверки «винтового удержания» уже собирается в ИЯФ, и возможно уже весной 2017 года можно будет увидеть первые результаты. Еще раз — 50 лет эта проблема не давала взять и построить термоядерный реактор на основе открытой ловушки (справедливости ради — наряду с другими физическими вопросами и массой еще ждущих впереди инженерных), и может быть закрыта в довольно рутинном физическом эксперименте в следующем году.
Статья 1958 года об «Стеллараторе, обещающем значительный скачок в получении полезной энергии от управляемого термоядерного синтеза».
Подводя итог, я еще раз вспомню про психологию. Люди последние 30 лет свыкались с мыслью о том, что термоядерная энергетика как минимум экономически не оправдана, а возможно и прямо запрещена по инженерным или физическим причинам. Привыкали в ту эпоху, когда успехи физиков на этом пути были половинчатыми, а предлагаемые конструкции термоядерных реакторов — нежизнеспособными. Теперь возможно мы вступаем в следующую эпоху, когда нам придется отвыкать от того, что термоядерные электростанции невозможны. Когда отвергнутые идеи 40, а то и 60 летней давности с новым пониманием плазмы и техническими возможностями (например сверхпроводников или цифровых систем управления) внезапно зажигают зеленый свет.
