Иллюстрация термоядерного реактора.
Энергия термоядерного синтеза требует большего, чем устойчивая термоядерная реакция, прежде чем она сможет помочь миру производить достаточно углеродно-нейтральной энергии. Министерство энергетики США определило программу исследований и разработок для набора технологий и процессов, обеспечивающих термоядерный синтез.
Два чиновника Министерства энергетики назвали пять из этих неотложных технологий на вебинаре, организованном в четверг Национальной академией наук, инженерии и медицины (NASEM). Более подробная информация содержится в отчете NASEM за 2021 год, в котором содержится призыв к быстрому развитию технологий, обеспечивающих термоядерный синтез:
«Хотя это часто откладывается на будущее, цель экономичной термоядерной энергии в течение следующих нескольких десятилетий в качестве стратегического интереса США требует быстрого увеличения исследований и разработок материалов, компонентов и термоядерных технологий».
Пятерка выделенных четвергов включает:
1 Материалы, устойчивые к плавлению
Плазма, в которой происходит реакция синтеза, может быть горячее Солнца. Мощное магнитное поле или инерция могут удерживать плазму, защищая ее от стенок и компонентов реактора, но, тем не менее, для термоядерных реакторов потребуются материалы, способные выдерживать экстремальные температуры и бомбардировку нейтронами, высвобождающимися при превращении изотопов водорода в гелий.
Чтобы протестировать потенциальные материалы, ученым необходимо создать условия, аналогичные реакции синтеза.
«Существует острая необходимость в прототипе источника нейтронов для термоядерного синтеза, чтобы иметь возможность собирать данные о материалах, которые могут подвергаться многолетнему воздействию», — сказал Скотт Хсу, ведущий координатор по термоядерному синтезу в Министерстве энергетики. Он добавил, что пока этот источник нейтронов находится в разработке, машинное обучение и тестирование материалов могут помочь сократить количество материалов-кандидатов.
Существует также возможность полностью отказаться от материалов, используя «по-настоящему преобразующие конструкции первой стены и покрытия, где у вас может даже не быть твердого материала, обращенного к плазме, и это почти обходит проблему материалов», — сказал Сюй. «И нам действительно нужно держать эти идеи на столе».
2 Селекционер трития
В наиболее распространенных конструкциях термоядерных реакторов используются два изотопа водорода — дейтерий (2H) и тритий (3Н) — в качестве топлива.
«Если мы собираемся использовать дейтериево-тритиевый топливный цикл, нам придется извлекать тепло и производить тритий», — сказал Ричард Хаврилюк, старший технический советник Управления науки Министерства энергетики США и председатель отчета NASEM за 2021 год. .
«Особой проблемой является необходимость безопасного и эффективного замыкания топливного цикла, — говорится в отчете, — который для проектов дейтериево-тритиевого синтеза включает разработку бланкетов для воспроизводства и извлечения трития, а также заправку, истощение, локализацию, извлечение и выделение трития в значительных количествах».
3 Выхлопная система
Некоторая часть непостижимого тепла, образующегося в результате реакции синтеза, будет использована для производства энергии, но сначала ею нужно управлять, а ваш стандартный кухонный вентилятор не подойдет.
«Для полной исследовательской программы потребуются испытательные установки, создающие среду, все более похожую на термоядерную электростанцию, для оценки релевантной для реактора обработки выхлопных газов в среде термоядерных нейтронов», — говорится в отчете NASEM.
4 более эффективных лазера
В декабре Национальный центр воспламенения Министерства энергетики (NIF) отпраздновал долгожданное достижение, запустив термоядерную реакцию, которая высвободила больше энергии (3,15 мегаджоуля), чем лучи от лазера, который его зажег (2,05 мегаджоуля). Но для питания лазера потребовалось 300 мегаджоулей.
В конце концов, такие лазеры после запуска будут питаться электричеством от термоядерного реактора. Но более эффективные лазеры означают более эффективные реакторы, оставляя больше энергии пользователю или сети.
5 повторений
Недостаточно, чтобы лазер был эффективным. Он также должен работать не столько как мушкет, сколько как пулемет.
«Прекрасный результат в NIF, — сказал Гаврилюк, — мы достигли этого, делая несколько выстрелов в год. Вы должны быть в состоянии добраться до точки, когда вы делаете несколько выстрелов в секунду или выстрел в секунду, так что мы также должны освоить частоту повторения».
Это увеличивает частоту повторения каждого шага процесса, начиная с топливной капсулы. По данным журнала Наука«Потребовалось бы производить, наполнять, размещать, взорвать и убирать миллион капсул в день — огромная инженерная задача».
