Ndcx: открыт неожиданный путь к управляемому синтезу
Франция празднует победу – на её территории международное сообщество построит экспериментальный реактор ядерного синтеза – крупнейший в своём роде. Между тем, на фоне этой эйфории в тень ушли иные проекты по выработке электроэнергии за счёт реакций синтеза.
А напрасно.
То, что построят во Франции (реактор ITER) – это токамак – тороидальная камера с электромагнитными катушками, удерживающими своим полем горячую плазму.
Известно, что эта схема – не единственная, позволяющая реализовать управляемый синтез. Но почему-то на неё обращено наибольшее внимание общественности, политиков, и, соответственно, выделяются самые большие средства.
А есть ещё, скажем, вариант с обстрелом дейтериевых мишеней сверхмощными лазерами, которые обрушиваются на миниатюрные шарики ядерного топлива со всех сторон и сжимают их настолько, что в центре такого шарика поднимается давление и температура до величин, достаточных для начала реакции синтеза.
Особенно активно эту технологию развивают в США, но уже много лет не видно «решающего прорыва». Хотя есть «обнадёживающие результаты» опытов.
Между тем, существует и ещё один способ создания промышленного реактора синтеза. Способ куда менее известный вне научных кругов.
Эта сравнительно новая технология носит название «Синтез при помощи тяжёлых ионов» (heavy ion fusion — HIF).
Принцип ядерного синтеза с тяжёлыми ионами: абляционный нагрев, эффект реактивного сжатия, зажигание, синтез (иллюстрация с сайта lbl.gov).
В самых общих чертах она похожа на лазерный синтез, но вместо лазеров шарики-мишени (дейтерий с тритием), размером с горошину, сдавливают со всех сторон мощнейшие потоки тяжёлых ионов.
Собственно, главное препятствие на пути создания такой установки, способной производить промышленную электрическую энергию из обычной воды (точнее — из дейтерия, которого в воде — в избытке и трития, который сравнительно просто можно получать из лития – а его полно в земной коре) – это необходимость создания ионных пучков очень высокой мощности, при необычайно коротком времени этого импульса.
И это-то как раз удалось американским физикам буквально недавно.
«Длина импульса — четыре наносекунды! Мы, наконец-то, поместили лучи тяжёлых ионов в пределы такого диапазона длин импульса, который необходим для экспериментов по физике высокой энергии, имеющих практическое приложение, и даже — для построения электростанции ядерного синтеза».
Это слова Гранта Логана (Grant Logan), главы исследовательского проекта, о котором мы говорим, физика из американской национальной лаборатории Беркли (Berkeley Lab) и главы виртуальной национальной лаборатории по ионному синтезу (Heavy-Ion Fusion Virtual National Laboratory).
Возможная схема промышленной электростанции ядерного синтеза нового типа (иллюстрация с сайта lbl.gov).
Установка, на которой проводились эти опыты, носит мудрёное название «Средство для эксперимента по нейтрализованному сжатию дрейфа» (Neutralized Drift Compression Experiment facility — NDCX-1).
Тяжёлые ионы (ксенон, ртуть, цезий) производил ускоритель частиц, а специальная система сжимала этот пучок не только в поперечном направлении (фокусировка), но и в продольном – то есть, сокращала время импульса.
На входе в установку NDCX-1 импульс ионов длился 200 наносекунд – на выходе он уже выстреливал в мишень за 4 наносекунды.
Поток заряженных частиц имел силу 25 миллиампер и энергию 255 килоэлектронвольт. Этого ещё мало для зажигания синтеза, но принципиально пока именно время импульса.
А параметры установки можно наращивать. Главное – две идеи, которые позволили сжать пучок ионов, так сказать, во времени, в пятьдесят раз.
Первое – луч направляли не через вакуум, как делают экспериментаторы во всём мире, а через плазму, электроны в которой предотвращали разбегание ионов под действием кулоновских сил отталкивания.
Второе – специальная умная магнитная система разгоняла «хвост» пучка быстрее, чем «голову». Таким образом, луч ионов сжимался вдоль своей длины.
Участники эксперимента NDCX-1: (слева направо) Грант Логан (Grant Logan), Вэйн Гринвэй (Wayne Greenway), Прабир Рой (Prabir Roy), Энрике Хенестроза (Enrique Henestroza), Уилл Уолдрон (Will Waldron), Джош Колеман (Josh Coleman), Смюэль Эйлон (Shmuel Eylon), Фрэнк Бинайозек (Frank Bieniosek) и Саймон Ю (Simon Yu) (фото с сайта lbl.gov).
Участники эксперимента теперь планируют собрать новую систему — NDCX-2, где параметры луча будут подняты на порядки. А там, глядишь, и до электростанции недалеко.
Заманчивая эта вещь – ядерный синтез. Берёте эдак с одну тонну воды, и у вас уже есть запас энергии, чтобы питать большой город в течение года.
Но вот какая схема промышленного реактора синтеза окажется наиболее работоспособной/рентабельной/дешёвой – покажет время.
Разведопрос: Сергей Поликарпов о лечении злокачественных опухолей
