Фантастическая энергия. Часть 6

Титаны на плечах гигантов

В 2017 году Уильямом Стайгером (Sandia National Laboratories, USA) и его группой на основе достижений LTD-технологии была предложена ее несколько измененная концепция, имеющая определенные преимущества перед LTD-технологией в контексте термоядерных применений.

Эта технология получила свое собственное название – IMG-технология, от английского Impedance-matched Marx generators, что можно перевести как «Согласованные по импедансу генераторы Маркса». IMG-генератор во многом похож на LTD-генератор, но устроен немного проще, а использование IMG-технологии дешевле примерно на 30%, чем использование LTD-технологии.

Такой подход позволил внести целенаправленные изменения, упрощая и удешевляя схему за счет исключения некоторых элементов, которые были необходимы для универсальности и гибкости оригинальной LTD-технологии. Это означает, что IMG отказывается от части функциональности и широкого спектра применений LTD, чтобы лучше соответствовать узкоспециализированной задаче обеспечения импульсной мощности для термоядерных реакторов.

В основе обеих технологий лежит использование модульного подхода для генерации импульсов высокой мощности, а принципы работы быстрых LTD-генераторов, которые были заложены в основу технологии российским физиком Александром Кимом – синхронизация модулей, управление временными характеристиками и согласование импеданса, – остаются неизменными и в генераторах IMG. Это показывает, что IMG следует рассматривать как модернизированную версию LTD, предназначенную для решения конкретных инженерных задач.

Особенности устройства IMG-генератора

В предыдущих частях было показано, что для импульсного термоядерного реактора может быть применен  индукционный сумматор напряжения . Принципиальной особенностью индукционного сумматора является то, что энергия в нем распространяется без отражений и только в сторону нагрузки. Суммарный импульс сохраняет форму импульса отдельной ступени, но может быть многократно увеличен по амплитуде, чего сложно добиться с традиционными генераторами. Однако для всего этого в сумматоре должны быть выполнены два фундаментальных условия:

• первое фундаментальное условие: запуск каждого индуктора должен быть синхронизован со скоростью распространения электромагнитной волны по выходной линии;
• второе фундаментальное условие: волновое сопротивление этой линии должно нарастать в направлении нагрузки с таким расчетом, чтобы в каждом своем сечении быть согласованным с суммарным волновым сопротивлением всех индукторов, расположенных до этого сечения.

При выполнении этих условий каждая отдельная ступень будет «видеть» только свою согласованную нагрузку, и так как эта нагрузка согласована со ступенью, то ступень будет работать в режиме максимальной мощности – каждая отдельная ступень в такую нагрузку будет разряжаться «легче» и быстрее, чем в какую-либо другую, и остальные ступени не будут этому мешать. Это означает, что в случае рассматриваемого термоядерного реактора нет принципиальной необходимости разделения отдельных LTD-ступеней друг от друга, то есть им необязательно иметь отдельные металлические корпуса. Отсутствие необходимости отдельных корпусов для каждой ступени означает, что пропадает необходимость в ферромагнитных сердечниках, которые необходимы в LTD-генераторах для предотвращения протекания тока по этому корпусу при срабатывании ступени.

Таким образом, если исключить из LTD-ступеней их сердечники, а сами ступени объединить в один общий корпус, то при выполнении фундаментальных условий получится более простая и экономичная версия индукционного сумматора напряжения.

Кроме того, поскольку в LTD-ступени имеется всего три основных элемента (конденсаторы, газовые разрядники и сердечник), стоимость каждой ступени при исключении из нее сердечника и корпуса снизится примерно на треть. Генератор на основе таких ступеней и называется IMG-генератором.

Такое решение упрощает конструкцию, но не избавляет от необходимости точного соблюдения фундаментальных условий для успешного функционирования, поскольку это критический фактор для эффективной передачи энергии в нагрузку.

Титаническая сила

Сейчас на основе IMG-технологии корпорация Fuse Energy Technologies Corporation строит и разрабатывает первый в мире согласованный по импедансу генератор Маркса, который называется TITAN.

Справка

Генератор TITAN весит примерно 22 тонны и состоит из более чем 40 000 деталей, 20 000 литров масла, 640 литров постоянно рециркулируемой деионизированной воды.

TITAN уже был протестирован с шестью ступенями, соединенными в один модуль при зарядном напряжении до +/- 70 кВ, что стабильно обеспечивало пиковую мощность в 330 ГВт при рабочей мощности 1,2 Ом. Результаты эксперимента коррелируют с результатами, запланированными при моделировании, с точностью более 99%.

подробнее

TITAN мощностью 1 ТВт будет состоять из 476 конденсаторов емкостью 80 нФ , каждый из которых рассчитан на зарядное напряжение 100 кВ. По аналогии с LTD-ступенями эти конденсаторы объединены попарно, образуя «секцию» (Рисунок 2) с разностью потенциалов 200 кВ, что достигается путем зарядки одного конденсатора до +100 кВ, а другого до -100 кВ.

Весь модуль TITAN будет содержать 238 таких секций, организованных в 14 ступеней (Рисунки 3 и 4). Каждая ступень состоит из 17 секций, электрически соединенных параллельно и распределенных по азимуту. Отдельные ступени соединяются последовательно, как и в LTD-генераторе. Из-за того, что TITAN работает под высоким напряжением, все секции полностью погружены в масло , а пространство между катодом и анодом заполнено непрерывно циркулирующей деионизированной водой .

Согласованный по импедансу генератор Маркса (IMG) обладает длительным сроком службы (> 10 000 выстрелов), частотой повторения (> 0,1 Гц), быстрым временем нарастания выходного импульса (~100 нс) и высокой эффективностью подачи энергии (~90%).

Справка

Частота 0,1 Гц означает, что система делает один выстрел каждые 10 секунд. То есть 10 000 выстрелов хватит на 100 000 секунд, или на 100 000 / 60 = 1667 минут, или на 28 часов, или одни сутки и еще четыре часа

Научная группа под руководством Александра Кима, работающая над LTD-ступенями, доказала, что их ресурс составляет не меньше 100 000 выстрелов. Верхнюю границу в импульсной технике, как правило, не указывают, потому что отсутствует возможность проводить такие длительные эксперименты. Поэтому обычно указывается срок, за который происходят определенные события (определенное количество самосрабатываний установки или отказы срабатываний и т.д.), а дальше используются средства расчета вероятностей. Поэтому 10 000 выстрелов в импульсной технике это довольно много. Ресурс в 100 000 выстрелов (в случае LTD) приравнивался к практически «неубиваемому»

подробнее

Установки на основе IMG вдвое превосходят энергоэффективность традиционных генераторов Маркса, соединенных с промежуточными накопителями энергии (как это реализовано в Z-машине). По сравнению с LTD-генераторами установки, построенные по принципу IMG, дешевле на треть и обладают немного более высокой энергоэффективностью, поскольку не используют ферромагнитные сердечники (и, соответственно, лишены потерь на перемагничивание). Все это позволяет рассматривать данную технологию как самый перспективный подход на сегодня в мощной импульсной технике для реализации термоядерной электростанции.

Эксперименты на «Титане»

В 2024 году поступило сообщение о том, что команда FUSE для проверки технологии собрала и протестировала IMG с шестью ступенями. 6-ступенчатый TITAN состоит из 17×6=102 секций, заряжаемых до ±70 кВ, которые разряжаются не на Z-пинч, а на обычную резистивную нагрузку (для экспериментальных целей).

Полученная в эксперименте волна мощности показала высокую корреляцию (> 99%) с результатами моделирования, представленными на рисунке ниже.

Для обеспечения работы IMG нужна высокая точность запуска отдельных разрядников, причем все разрядники одной ступени должны срабатывать максимально одновременно, а срабатывание самих ступеней должно быть синхронизовано с электромагнитной волной, распространяющейся внутри модуля к нагрузке, то есть со скоростью света. Высокая точность управления работой разрядников позволяет обеспечить выполнение одного из двух фундаментальных условий работы IMG.

В проведенном FUSE эксперименте синхронизированное срабатывание разрядников внутри одной ступени контролировалось с помощью пяти кремниевых фотоумножителей – Silicon Photomultipliers ( SiPM ). SiPM, по сути, представляет собой массив из множества микрофотодиодов, каждый из которых работает в режиме лавинного пробоя. Когда фотон попадает на детектор, он вызывает лавинный процесс в одной из микроплощадок (пикселей), и этот сигнал затем суммируется, создавая единый выходной сигнал. Это позволяет SiPM определять даже очень слабое световое излучение с высокой точностью.

Эти фотоумножители были расположены следующим образом: один в ступени 1 (на секции номер 6), два в ступени 3 (на 6-й и 17-й секциях) и два в ступени 6 (также на 6-й и 17-й секциях).

В дальнейшие планы команды FUSE входит экспериментальное испытание всех 14 ступеней TITAN. Ожидается, что 14-ступенчатый TITAN будет выдавать 1 ТВт мощности на согласованную нагрузку 2 Ом.

На пути к стабильной и дешевой термоядерной энергии важна каждая инновация. IMG-технология, успешно адаптированная для применения в термоядерных реакторах, демонстрирует, что ее простота и эффективность оказываются решающими. TITAN – убедительный пример того, как фундаментальные научные достижения в физике, поддерживаемые точными измерениями, трансформируются в прорывные решения. Сегодня, когда человечество все ближе к реальным источникам неисчерпаемой энергии, именно такие технологии доказывают: будущее уже создается – один импульс за другим.

Фантастическая энергия. Часть 1

Фантастическая энергия. Часть 2

Фантастическая энергия. Часть 3

Фантастическая энергия. Часть 4

Фантастическая энергия. Часть 5