Фантастическая энергия. Часть 5

Звезда размером с точилку для карандашей

Цель исследования термоядерного синтеза с инерционным удержанием – получить энергию, подобную энергии звезды, через контролируемые термоядерные реакции, лежащие в основе космических светил. Можно сказать, что главная задача таких исследований – создание «управляемой», «ручной» звезды.

Как правило, в этом процессе капсулу с термоядерным топливом – например, дейтерием и тритием – ученые-физики окружают пенообразным материалом и помещают в полую камеру размером с точилку для карандашей – ее называют «хольраум». В лазерной системе, после того как «горошины» помещены в хольраум, на его стенки направляются почти две сотни лазерных лучей, которые нагревают эти стенки, и они начинают испускать рентгеновское излучение. Это излучение, в свою очередь, нагревает стенки топливной «горошины», что приводит к ее сжатию вместе с содержимым топливной капсулы: так осуществляется запуск термоядерной реакции.

В мощных импульсных термоядерных устройствах хольраум совмещают с Z-пинчем: цилиндрическим набором тонких проволочек, расположенных вокруг вертикальной оси цилиндра (оси Z). С помощью специального мощного импульсного генератора возможно пропускание через Z-пинч большого импульса тока, который ионизирует и нагревает пинч. Капсулу с топливом размещают непосредственно внутри Z-пинча, также дополнительно окружая ее рыхлым пенообразным материалом. При пропускании огромного тока через эти проволочки они взрываются и образуют полый плазменный цилиндр вокруг топливной капсулы – «лайнер». Под действием силы, действующей на протекающий ток (и плазму лайнера) со стороны собственного магнитного поля, Z-пинч сжимается к центру, а скорость его радиального движения достигает 10⁵-10⁶ м/с. На этом этапе энергия импульсного генератора, питающего Z-пинч, преобразуется в кинетическую энергию сжимающейся плазмы. По мере коллапса плазмы на вертикальную ось, в тот момент, когда ее скорость обращается в нуль, кинетическая энергия направленного движения плазмы преобразуется в тепловую энергию плазмы. Плазма нагревается, атомы ее вещества возбуждаются и затем выделяют энергию в виде рентгеновского излучения. Таким образом, плазма, нагретая до высокой температуры, может излучать значительное количество энергии в виде короткого импульса рентгеновских лучей.

При этом рентгеновское излучение будет возникать при столкновении сжимающегося Z-пинча с пеной и переизлучаться верхней и нижней пластинами хольраума.

Для схем с Z-пинчем на сегодняшний день уже достигнута эффективность преобразования первичной энергии накопителя в рентгеновскую энергию на уровне 15%. Это почти на два порядка больше, чем для аналогичной лазерной системы.

Справка

У лазерной установки National Ignition Facility (NIF) эта эффективность составляет всего 0,8%. Лазеры NIF питаются от батареи конденсаторов, запасающей около 400 МДж энергии (столько потребляет средняя семья из четырех человек за две недели; энергетический эквивалент 85 кг тротила). 

Однако значительная часть (99,5%) этой энергии теряется при преобразовании в энергию лазера – она несет всего 2,05 МДж. 5 декабря 2022 года сотрудники NIF достигли первой в истории научной точки безубыточности: они смогли получить около 3,15 МДж энергии в результате реакции термоядерного синтеза, что превышает 2,05 МДж энергии лазера, использованной для зажигания этой реакции. Таким образом, энергетический выход реакции составил 153%. Однако, поскольку на питание самих лазеров было затрачено гораздо больше энергии, итоговая энергоэффективность установки NIF остается низкой. Достигнутый результат имеет не энергетическое или коммерческое, а исследовательское значение. Кроме того, стоимость получения рентгеновского излучения на Z-пинчах примерно в 30 раз ниже, чем на лазерах. С учетом этих достоинств Z-пинчей становится ясно, почему одной из важнейших задач современной импульсной техники является создание импульсного генератора для исследований по инерциальному управляемому синтезу на Z-пинчах. 

подробнее

Тем не менее лазерный инерциальный термоядерный синтез имеет несомненное преимущество в вопросе финансирования: в эти проекты ежегодно вкладываются сотни миллионов долларов.

Произвести больше, чем потребить

Ученые считают, что выход термоядерной энергии в системе на основе Z-пинча может существенно превысить единицу относительно вложенной энергии: это позволяет строить коммерчески выгодные термоядерные установки.

Оценки показывают, что в мощных импульсных генераторах на основе LTD-технологии для получения выходной энергии в 500 МДж достаточно запасать энергию в первичном накопителе генератора в пределах 100 МДж. При этом сила тока через Z-пинч должна составлять 60-70 миллионов ампер. Самый мощный из существующих генераторов импульсного тока, Z-машина может выдавать ток около 25 миллионов ампер.

Разработки и создание LTD-генераторов

В настоящее время несколько крупных лабораторий мира исследуют возможность создания импульсного индукционного генератора для термоядерного Z-пинча. В основе индукционных генераторов лежит тот же закон электромагнитной индукции Фарадея, что и в обычных трансформаторах, согласно которому на концах контура, пронизанного изменяющимся во времени потоком магнитной индукции Ф(t), наводится ЭДС e(t). Индукционный генератор представляет собой один или несколько таких вторичных контуров, соединенных последовательно. Каждый из этих контуров выполнен в виде тороидального экрана (называемого индуктором) с разрезом по малой оси тора . Поток магнитной индукции внутри тора создается разрядом в цепи питания и направлен по круговой траектории внутри тора, при этом выходное напряжение наводится на разрезе индуктора. Таким образом, индуктор индукционного генератора представляет собой трансформатор, в котором каждая из обмоток содержит один виток.

С 2000-х годов изучается возможность создания генератора LTD мощностью 1000 ТВт. Генератор LTD состоит из нескольких индукторов, называемых «ступень LTD». Ступень LTD отличается от индукторов других типов индукционных генераторов тем, что в ней первичная цепь встроена внутрь самого индуктора. Это кажущееся незначительным конструктивное отличие приводит к нескольким важным преимуществам генераторов LTD, среди которых наиболее значимыми являются следующие:

• генератор LTD более компактен по сравнению с другими типами генераторов с сопоставимыми параметрами. Например, генератор LTD с выходным током 1 МА и мощностью 1 ТВт занимает площадь всего около 8 м²;
• генератор LTD имеет простую конструкцию, которую легко эксплуатировать и обслуживать. В конструкции ступени LTD всего три основных элемента: конденсаторы, искровые разрядники и ферромагнитные сердечники. Все эти элементы хорошо изучены, успешно производятся, недороги в производстве и имеют высокий ресурс;
• поскольку первичная цепь располагается внутри каскадов LTD, ее удобнее строить на конденсаторах сравнительно небольших габаритов. Это позволяет создавать генераторы LTD прямого действия, формирующие на нагрузке импульс длительностью 100 нс без использования промежуточных каскадов сжатия энергии. Это кардинально упрощает архитектуру генераторов LTD по сравнению с традиционными схемами, повышает их ресурс, а значит, снижает их конечную стоимость.

Первая ступень LTD была разработана в Институте сильноточной электроники СО РАН в городе Томск в середине 90-х годов прошлого века академиком Борисом Ковальчуком.

Его схема представлена ​​на рисунке:

Индуктор этой ступени имеет форму прямоугольного параллелепипеда с цилиндрическим отверстием посередине, где и располагается сечение этого индуктора. Первичная цепь ступени состоит из двух конденсаторов емкостью по 3,95 ###TOOLTIP?45023### каждый, которые разряжаются каждый через свой искровой разрядник. Эти ступени вырабатывают слишком медленные для целей термоядерного синтеза импульсы – порядка 1 мкс, поэтому такие ступени и получили название «медленные LTD ступени».

Идея состояла в том, чтобы добиться радикального уменьшения длительности импульса за счет радикального уменьшения емкости накопительных конденсаторов, при этом для сохранения того же запаса энергии число этих конденсаторов должно было быть увеличено. В результате первичная цепь каскада была собрана на конденсаторах емкостью до 10-40 нФ.

Самая мощная из разработанных на сегодняшний день быстрых ступеней LTD называется ступенью LTD 1MA. Он имеет мощность ~100 ГВт и позволяет получить на нагрузке 0,1 Ом ток ~1 МА, нарастающий за ~100 нс. Первичная цепь этой ступени содержит 80 конденсаторов емкостью 40 нФ, которые разделены на 40 пар. Конденсаторы каждой пары заряжаются в противоположной полярности до напряжения ±100 кВ и включаются в разрядную цепь ступени искровым многозазорным газовым разрядником. Для изоляции элементов внутри ступени вся его внутренняя полость заполнена трансформаторным маслом. Диаметр ступени ~3 м, длина по оси выходной линии ~25 см.

Последовательное соединение ступеней LTD образует индукционный LTD-генератор. Такой подход, в отличие от традиционных схем , позволяет напрямую, без каких-либо промежуточных накопителей энергии, получать на нагрузке импульс длительностью, равной длительности выходного импульса отдельной ступени LTD. Электрические параметры ступени 1MA LTD таковы, что ее уже сейчас можно рассматривать как основной элемент импульсного LTD-генератора для инерциального управляемого термоядерного синтеза на основе Z-пинчей.

Перспективы и использование

LTD-технология крайне перспективна и справедливо считается технологией следующего поколения. Уильям Стайгер, известный специалист в области физики высоких плотностей энергии, занимающий в лаборатории Sandia National Laboratories ключевые позиции в разработке и исследованиях устройств, производящих мощные импульсы электрической энергии, назвал эту технологию «величайшим достижением в производстве первичной энергии с момента изобретения генератора Маркса в 1924 году».

Понимая столь огромный потенциал технологии, сотрудники Sandia National Laboratories разработали концептуальный проект LTD-генератора, основным назначением которого является проведение передовых экспериментов по инерциальному термоядерному синтезу. Его первичный накопитель энергии, выполненный в виде 90 параллельных модулей (т.е. последовательных сборок из 33 быстрых ступеней LTD; таким образом, всего в установке используется 2970 ступеней; длина одного модуля составляет около 7 м), разряжается в передающие линии – весь объем этих линий заполнен деионизированной водой, по которым импульс через водно-вакуумный проходной изолятор поступает в вакуумную камеру, внутри которой находится  нагрузка в виде Z-пинча  с топливной капсулой. Диаметр установки составляет около 35 м.

В настоящее время наиболее мощной машиной, использующей технологию LTD, является разрабатываемый в Китае термоядерный импульсный модуль М-50. Машина М-50 состоит из 50 идентичных ступеней LTD и выходной коаксиальной линии с вакуумной изоляцией.

Ступени LTD разделены на пять групп, каждая из которых состоит из десяти последовательных ступеней и имеет длину 2,7 м. Эти группы разделены коническими линиями длиной 0,8 м. Внутренний электрод линии представляет собой катод общей длиной 20 м и массой 2400 кг. Все 50 ступеней уже построены и испытаны. Модуль М-50 является лишь одним из будущих 60 модулей термоядерной импульсной электростанции с общим запасом энергии 96 МДж (эквивалентно 21 кг тротила), из которых 12,3 МДж будут преобразованы в кинетическую энергию Z-пинча при его имплозии.

Технология LTD может напрямую производить гораздо более быстрые импульсы, чем традиционные технологии, и поэтому является одним из наиболее перспективных способов реализации коммерчески жизнеспособной энергетической установки, работающей по принципу инерционного управляемого термоядерного синтеза на основе Z-пинчей.

Статья посвящается памяти Александра А. Кима,

выдающегося ученого, сильного и мудрого руководителя,

авторитетного учителя и замечательного человека

Фантастическая энергия. Часть 1

Фантастическая энергия. Часть 2

Фантастическая энергия. Часть 3