Термоядренреактор може да промени света завинаги
Дълбоко в тайните лаборатории на Skunk Workds, група учени от Lockheed Martin работят върху концепция за ядрена енергия, която според тях има потенциала да утоли ненаситното енергийно желание на нашия свят. Предполага се, че устройството, наречено Compact Fusion Reactor (CFR), е по-безопасно, по-чисто и по-мощно от настоящите големи ядрени системи, които разчитат на делене, процес на разделяне на атоми за освобождаване на енергия.
Важно е, че „компактността“ на концепцията на Lockheed означава, че тя ще бъде малка и достатъчно практична за приложения, вариращи от междупланетни космически кораби и търговски кораби до захранване на градове. Може дори да възкреси концепцията за големи самолети с ядрено задвижване, които изискват малко или никакво зареждане с гориво, идея, която беше изоставена преди 50 години поради опасностите и сложността, свързани с реакторите за ядрено делене.
Въпреки това идеята за ядрен синтез, при който атомите се комбинират в по-стабилни форми и освобождават енергия, не е нова. Още през 20-те години на миналия век, когато се предполагаше, че термоядреният синтез захранва звездите, учените започнаха да се опитват да разработят работещи форми за овладяване на тази енергия. Други изследователски институти, лаборатории и компании по света също подхранват идеи за синтез, но нито една от тях не е напреднала отвъд експерименталното състояние. Предминалата година Lockheed обяви пробив в областта на термоядрения синтез, а в края на миналата година разкри детайлите на проекта, за да привлече партньори, ресурси и допълнителни изследователи.
Aviation Week беше първият, който получи устройството като ексклузивно. Експериментален модел на Skunk Works, наречен Revolutionary Technology Programs, създаден от ТомасМакгуайър, авиационен инженер, като част от експеримента Т4. За удобство ще наричаме модела просто RTP. Свързан със сензори, инжектори, турбопомпа за създаване на вътрешен вакуум и голям набор от батерии, стоманеният контейнер изглежда е първата възможна стъпка към решаването на пъзела, с който се борят ядрените физици.
За да разберете пробивната концепция на Lockheed, трябва да знаете как работи термоядреният синтез и как методите за контрол на реакцията влияят върху количеството произведена енергия и мащаба на реактора. Термоядреното гориво, състоящо се от водородните изотопи деутерий и тритий, се впръсква като газ във вакуумна камера. След това се добавя енергия, обикновено радиочестотно нагряване, и газът се разгражда на йони и електрони, образувайки плазма.
Свръхгорещата плазма се контролира от силни магнитни полета, които не й позволяват да докосне стените на съда и ако задържането („цветното задържане“ във физиката на елементарните частици) бъде успешно ограничено, йоните преодоляват взаимното отблъскване, сблъскват се и се сливат. Този процес създава хелий-4, освобождавайки неутрони, които пренасят кинетична енергия чрез ограничаващи магнитни полета. Тези неутрони загряват стените на реактора, които с помощта на конвенционални топлообменници впоследствие задвижват турбинни генератори.
Досега повечето термоядрени системи са използвали устройство за контрол на плазмата, наречено токамак, изобретено през 50-те години на миналия век от физици в Съветския съюз. Токамакът използва магнитно поле, за да задържи плазмата във формата на тор или пръстен, и поддържа реакция на индукция на ток в самата плазма с втори набор от електромагнити. Проблемът с този подход е, че енергията се генерира в почти същото количество, което е необходимо засамоподдържаща се реакция на синтез.
Усъвършенствана версия на термоядрения реактор, Международният термоядрен експериментален реактор (ITER), се изгражда в Кадараш, Франция, и ще трябва да генерира 500 MW. Въпреки това, плазмата няма да бъде генерирана до края на 2020-те години и е малко вероятно мощността за генериране да бъде силна до края на 2040-те години.
Проблемът с токамаците е, че „те могат да задържат само определено количество плазма и ние наричаме това бета граница“, казва Макгуайър. Измерено като съотношението на плазменото налягане към налягането на магнитното поле, бета границата на средния токамак е доста ниска или от порядъка на "5% или около това ограничаващо налягане". Сравнявайки торус с велосипедна гума, Макгуайър добавя: „Ако го помпат твърде силно, гумата в крайна сметка ще се пръсне – така че от съображения за безопасност те не могат да се доближат до тази граница.“ В допълнение, физиката на токамака диктува неговия огромен размер и висока цена. ITER ще струва приблизително 50 милиарда долара и, когато бъде завършен, ще бъде висок 30 метра и ще тежи 23 000 тона.
CFR ще може да заобиколи тези проблеми, като подходи към ограничаването на плазмата по коренно различен начин. Вместо да ограничават плазмата в тръбни пръстени, серия от свръхпроводящи намотки ще генерира геометрично ново магнитно поле, което ще задържи плазмата в по-широки граници в цялата камера.
„Така че вместо да разширяваме велосипедна гума във въздуха, ще имаме нещо като тръба, която изгражда стените“, казва Макгуайър. Системата би се саморегулирала, използвайки механизъм за самоотказване, колкото по-далече излиза плазмата, толкова по-силно магнитно поле ще я тласка обратно, за да я задържи. Очаква се CFR да има бета лимит,равно на едно. „Искаме да стигнем до 100% или повече.“
Тази важна разлика предполага, че за същия размер CFR ще произведе повече мощност от токамака с коефициент 10. Това също означава, че за същата изходна мощност CFR може да бъде 10 пъти по-малък. Мащабирането означава много по отношение на производителност и цена, обяснява Макгин. „Една от причините да мислим за по-нататъшно развитие и икономичност на концепцията е, че тя ще бъде десет пъти по-малка. От гледна точка на физиката, той ще работи и ще бъде много по-стабилен. Една от причините за стабилността е разположението на свръхпроводящите намотки и формата на линиите на магнитното поле. „В нашия случай винаги ще има баланс. Ако налягането е по-малко, плазмата също ще бъде по-малка и винаги ще се побира в магнитното поле.
Като цяло, според McGuire, дизайнът на Lockheed "взима най-доброто от много проекти." Той включва висока бета конфигурация, използването на линейни пръстеновидни линии на магнитно поле за ограничаване на плазмата и "инженерната простота на осесиметрично огледало". Създава се "осесиметрично огледало" чрез поставяне на зони на магнитно поле във всеки край на камерата, така че те да отразяват значителна част от плазмените частици, излъчвани по оста на CFR.
„Имаме и рециклиране, много подобно на концепцията на Polywell“, добавя Макгуайър, имайки предвид друг обещаващ проект за термоядрен реактор. Реакторът Polywell използва електромагнити за генериране на магнитно поле, което улавя електрони, създавайки отрицателно напрежение, което след това привлича положителни йони. Ускоряването на йони към отрицателния център води до сблъсък и синтез.
Екипът признава, че проектът е в ранен етап на развитие и оставамного ключови въпроси, преди да стане жизнеспособен. Но Макгуайър очаква бърз напредък. Настроението в Skunk Works и „темпото, с което хората работят, е много бързо“. „Бихме искали да имаме прототип в пет поколения. Ако успеем да изпълним всеки план, заложен за всяка следваща година, след пет години той ще бъде готов. Вече показахме какво можем да направим в лабораторията." Прототипът демонстрира условията на запалване и работа за 10 секунди в стабилно състояние след задействане на инжекторите, които запалват плазмата. „Показва физиката в действие, а не прототипа в пълна сила.“
Първата работеща версия може да се появи след пет години. Това ще бъде много работа, казва Макгуайър, което означава, че преминаването към пълномащабно производство непременно ще изисква участието на специалисти по материали и топлопренос, както и строители на газови турбини. Първите реактори ще произвеждат около 100 MW и ще се поберат в транспортируеми блокове 7 на 15 метра. „Мислим точно за такива измерения. Можете да го поставите на малко ремарке, като малка газова турбина, да го транспортирате на платформа, да работите няколко седмици“, казва Макгуайър. Идеята на концепцията е CFR да се адаптира към съществуващата инфраструктура и лесно да се впише в съвременната мрежа. Реактор от 100 мегавата може да захранва 80 000 домове, достатъчно за захранване на кораб.
Lockheed изчислява, че за една година работа ще са необходими по-малко от 25 килограма гориво. Самото гориво също е в изобилие. Деутерият се получава от морска вода, следователно не е ограничен, а тритият се "извлича" от литий. „Вече сме добили достатъчно литий, за да оборудваме световния флот от реактори и това отчасти засяга безопасността. Тритият може да представлява опасност за здравето,ако имаше голямо изтичане на тритий, но в малки количества той е безвреден. Не е нужно много, за да задействате реактор, защото термоядрената реакция е милион пъти по-мощна от химическата реакция."
Въпреки че реакторите от първо поколение ще имат радиоактивни части към края на живота си, като някои от стоманените елементи в кожуха, Макгуайър казва, че ситуацията на замърсяване ще бъде „с един порядък по-добра от модерна система за ядрено делене“. Няма да има дълготрайна радиация. Материалите на реакторите практически ще издържат вечно, но синтезът може да продължи 100 години. В допълнение, нивото на замърсяване ще спада с всяка нова итерация и допълнително изследване на материалите. Но докато няма добра система за синтез, няма да има пари за мощни изследвания. Така че Макгуайър се надява, че първото поколение реактори ще бъде достатъчно добро, за да привлече вниманието. Старите стоманени корпуси от CFR могат да бъдат изхвърлени чрез обикновено депо в пустинята, подобно на медицинските отпадъци. Но това ще бъде много различно от ядрените отпадъци, с които имаме работа днес.
Оперативните предимства на такъв реактор включват липса на риск от пожар или изтичане. „В реактора има минимално количество радиоактивен тритий – измерено в грамове – така че потенциалното изтичане ще бъде минимално. Освен това няма опасност от разпространение на радиоактивно гориво. Тритият се използва в ядрените оръжия, но в много по-големи количества.
Предварителните изчисления и експерименталните резултати "бяха много обещаващи и положителни", казва Макгуайър. Въпреки това „имаме нужда от помощ и бихме искали да видим други хора, включени в нашето предприятие. Това е глобално предприятие и ние сме развълнувани да го ръководим.“