Пять новых перспектив термоядерного синтеза без нейтронов

Интерес к термоядерной энергетике сегодня растет в ответ на отчаянную потребность мира в изобилии чистой энергии. По меньшей мере 43 частные компании сейчас преследуют цель безопасного слияния двух атомных ядер с образованием более тяжелого ядра с высвобождением энергии. Однако стандарт дейтерий-тритий Реакция (DT) в ядре обычных термоядерных реакторов таит в себе большие долгосрочные проблемы.

D и T — изотопы водорода, которые плавятся при более низких температурах и выделяют больше энергии, чем другие реакции. Но они также дают сверхпоток нейтронов, требующий сложных (и все еще несовершенных) технологии сдерживания чтобы нейтронное излучение не разрушило стенки реактора, вспомогательную инфраструктуру и близлежащие живые существа.

«В последнее десятилетие или около того люди начали все больше и больше думать о современных видах топлива из-за того, какой ущерб могут нанести нейтроны».
— Джеральд Кульчински, Университет Висконсина

Новое поколение термоядерных специалистов стремится решить нейтронную проблему. Их подход заключается в замене DT-топлива на легкодоступные элементы, которые при синтезе выделяют энергию, переносимую заряженными частицами, а не нейтронами. Сторонники этого метода, анейтронный синтез, утверждают, что такие устройства в конечном итоге будет проще построить и они лучше подойдут для энергетических систем, поскольку энергию заряженных частиц будет легче преобразовывать в электричество. Они также производят мало или вообще не производят радиоактивных отходов.

«В период с 1960-х по 1980-е годы было проведено много работ в области того, что мы тогда называли «современным топливом», — говорит Джеральд Кульчински, инженер-ядерщик и почетный профессор Университета Висконсина. По его словам, эта работа потеряла популярность, «потому что вызвать такую ​​реакцию примерно в 10 раз сложнее, чем реакцию DT. Но в последнее десятилетие или около того люди начали все больше и больше думать о современных видах топлива из-за того, какой ущерб могут нанести нейтроны. [a reactor’s] первые стены».

Водородно-борный синтез

ТАЕ Технологии, ранее известная как TriAlpha Energy, имеет наиболее авторитетную частную программу анейтронного синтеза. По словам генерального директора Михла Биндербауэра, компания была основана в 1998 году, и сейчас ее капитализация составляет около 1,25 миллиарда долларов США. Подход TAE предполагает подпитку реакций водородом и бором, смесью, также известной как p-B11. При слиянии водород-бор высвобождает три положительно заряженных ядра гелия-4, известные как альфа-частицы.

Конструкция TAE удерживает плазму — топливо настолько горячее, что электроны отрываются от атомов, образуя ионизированный газ — с помощью метода, называемого конфигурация с обратным полем (ФРК). В FRC плазма содержится в основном в собственном магнитном поле, а не во внешнем поле.

Компания TAE Technologies была опорой в области разработки возможности синтеза водорода и бора (также известного как синтез p-B11) — топливной смеси, реакции которой трудно поддерживать, но в побочных продуктах которой отсутствует коррозионное и высокорадиоактивное присутствие нейтронов. ТАЕ Технологии

Цилиндрический линейный исследовательский реактор TAE, получивший название «Норман», с каждого конца закрыт обращенными внутрь электромагнитными плазменными пушками, которые ускоряют кольца плазмы в центральную камеру. Там кольца объединяются, образуя единую цилиндрическую плазму, стабилизированную пучком нейтральных атомов, приходящим с боков. Эти лучи также нагревают плазму и снабжают ее свежим топливом. Конструкция электростанции TAE будет накапливать тепло в стенках защитной оболочки и преобразовывать его в пар для привода турбины с использованием традиционной системы термического преобразования.

«Это суперэлегантный зверь», — говорит Биндербауэр. «В типичных конструкциях с магнитным удержанием около 60 процентов стоимости машины составляет стоимость магнитов. Если вы сможете максимально эффективно использовать свое магнитное поле с помощью самой плазмы, это даст вам огромное экономическое преимущество».

Но исторически FRC оказались неуправляемыми: если плазма ведет себя плохо, удерживающее магнитное поле также распадается, и плазма охлаждается. Команда Биндербауэра провела последнее десятилетие, исследуя способы стабилизации плазмы. В последние годы компания разработала методы и оборудование для изменения формы и положения плазмы в реальном времени, используя преимущества достижений в области технологий. искусственный интеллект и машинное обучение.

«Теперь у нас есть такая стабильность», — говорит Биндербауэр. «Мы можем манипулировать этими течениями и сохранять их устойчивыми и стабильными. Мы получаем красивые магнитные поля, ведущие себя именно так, как предсказывают».

По словам Биндербауэра, у сжигания водородно-борного топлива для получения термоядерной энергии есть еще один существенный недостаток: для этого требуются экстремальные температуры, более 3 миллиардов градусов Цельсия — в 20 или 30 раз выше, чем температуры, необходимые для реакции дейтерия-трития. Традиционное мнение многих физиков состоит в том, что при таких температурах электроны будут излучать настолько сильно, что будут охлаждать плазму быстрее, чем ее можно будет нагреть.

Биндербауэр возражает, что в основном энергия будет передаваться излучением электронов, но температура этих электронов ограничивается релятивистскими эффектами. «С 1990-х годов мы проделали чрезвычайно сложную работу и опубликовали множество рецензируемых публикаций. документы. Другие измерили эти вещи и обнаружили, что катастрофического радиационного охлаждения, которое убивает государство, не существует».

Ставка на редкий изотоп

Десятилетний Гелион Энерджи также планирует использовать конфигурацию с обращенным полем на заводе, который она строит в Эверетте, штат Вашингтон. Но вместо водород-бора компания делает ставку на топливный цикл гелий-3 и дейтерий.

К сожалению, гелий-3 встречается крайне редко — на его долю приходится всего 0,0001 процента доступного гелия на Земле — и поэтому его производство чрезвычайно дорого. Гелий-3 в конечном итоге можно будет добывать на поверхности луна, где, по оценкам, существуют 1,1 миллиона тонн. Но вместо того, чтобы строить космический корабль, «Гелион» планирует производить гелий-3 в своем реакторе посредством побочных дейтериевых реакций. Пока компания произвела лишь очень небольшое количество гелия-3, но они намерены использовать «запатентованный высокоэффективный замкнутый топливный цикл» для увеличения производства гелия-3.

Целью Helion Energy является синтез двух редких изотопов очень распространенных элементов — сверхлегкого изотопа гелия гелий-3 с тяжелым водородом, называемым дейтерием. Слева его концентрические пурпурно-розовые кольца показывают плазму в ядре реактора Трента Гелиона. Справа — топливные пузырьки с оксидом дейтерия. Гелион Энерджи

«D-гелий-3 может стать промежуточным звеном между дейтерием-тритием и p-B11, — говорит Кульчински, — поскольку реакция требует температуры в несколько сотен миллионов градусов, между дейтерием-тритием и pB11».

Реакции D-гелия-3 не являются полностью анейтронными, но они выделяют лишь около 5 процентов своей энергии в виде быстрых нейтронов. Это не устранит полностью осложнения радиационного поражения, но значительно уменьшит их.

Реактор Гелиона, как и реактор ТАЕ, будет представлять собой цилиндр, увенчанный противостоящими друг другу плазменными пушками. По словам компании, вместо того, чтобы пытаться создать продолжительную реакцию, плазменные пушки машины будут пульсировать примерно раз в секунду, создавая стационарный FRC в центре и конденсируя плазму магнитным полем, пока она не станет достаточно горячей и плотной для плавления. По мере высвобождения энергии плазма будет выталкиваться наружу против магнитного поля, позволяя системе собирать заряженную энергию через магнитные катушки.

«Это инновации, которые находятся на обочине», — говорит Мэтью Дж. Мойнихан, инженер-ядерщик и консультант инвесторов по термоядерному синтезу. «Как увеличить частоту импульсного подхода, так и получить гелий-3 будет сложно сделать в масштабах, которые потребуются для жизнеспособной электростанции».

Для создания импульсов устройство Helion будет использовать большие батареи конденсаторов, которые будут хранить колоссальные 50 мегаджоулей энергии и разряжать ее менее чем за миллисекунду — снова и снова.

Реактор Helion Energy использует магниты для удержания водородно-гелиевой плазмы и сжатия смеси до температур, достаточных для запуска ядерного синтеза. Гелион Энерджи

Несмотря на это техническое препятствие и другие, Helion нашла своего первого заказчика на электростанцию, которая, по ее словам, будет введена в эксплуатацию в 2028 году. Недавно компания заключила соглашение с Майкрософт обеспечить по меньшей мере 50 мегаватт электроэнергии — достаточно для завода или центра обработки данных — после годичного периода наращивания мощности.

Многие в сообществе термоядерной энергетики отвергли это как рекламный ход или, в лучшем случае, как чрезмерный оптимистический подход к компании, которая еще не продемонстрировала чистый энергетический выигрыш от своей реакции. Но в наши дни оптимизм растет в отрасли, которая стремится решить климатический кризис – с нейтронами или без них.

Другие перспективные подходы:

HB11

базирующийся в Австралии HB11В концепции реактора используются мощные лазеры в сочетании с магнитным удержанием для синтеза водорода и бора. В подходе используются ультракороткие импульсы лазеров с усилением чирпированных импульсов — предмет Нобелевская премия по физике 2018 г.— быстро ускорять водород с помощью борного топлива в захватывающем магнитном поле, создавая при их столкновении событие термоядерного синтеза.

Марвел Фьюжн

в Германии Марвел Фьюжн занимается лазерно-инициируемым термоядерным синтезом с инерционным удержанием с использованием высокоэнергетического лазера и топлива pB11 в наноструктурированных мишенях. Недавно компания заключила партнерство с Университетом штата Колорадо для строительства одной из самых мощных лазерных установок в мире в Форт-Коллинзе, штат Колорадо.

Принстонские термоядерные системы

Принстонские термоядерные системы В подходе FRC используются дейтерий и гелий-3, а также радиочастотный нагрев как для формирования FRC, так и для нагрева плазмы. Используя технологию сверхпроводящих магнитов, компания концентрируется на нишевых приложениях, таких как компактные системы для производства мобильных и портативных энергетических и термоядерных двигателей для космических кораблей.