Ядерная энергия (tnenergy) wrote,
Ядерная энергия
tnenergy

Categories:

Проблема лазерного термоядерного синтеза решена! (нет)

Последнюю неделю СМИ заполонили тексты про решение всех проблем лазерного термоядерного синтеза, и даже достижение не только дейтерий-тритиевого горения, но гораздо более заветного протон-борного. Все эти тексты в итоге сводятся к одному источнику - статье австралийского ученого Генриха Хора в журнале Laser and Particles Beams про новую конфигурацию установки лазерного УТС, которая теоретически должна дать возможность получить термоядерный реактор с протон-борным топливом.


На деле к этой статье есть множество претензий, и постулируемые чудеса, скорее всего, недостижимы  в том виде, которые описан там. Но прежде чем высказывать эти претензии стоит немножко вспомнить про то, как и зачем существует лазерный инерциальный управляемый термоядерный синтез (ЛТС).


На фоне испытательной камеры крупной французской установки ЛТС Laser Megajoule


Это направление разработки термоядерного реактора появилось в 60х года (практически одновременно с появлением лазеров). Концептуально ЛТС - это борьба с проблемами магнитного удержания термоядерной плазмы путем отказа от удержания. Если увеличивать плотность и температуру плазменной мишений, то скорость термоядерной реакции будет быстро расти, однако еще быстрее будут возрастать сложности с удержанием Если на этом пути отказаться от постоянного удержания и просто нагреть плотный кусочек термоядерного топлива до оптимальной температуры, то до момента разлета, как показывали теоретические оценки, выделится гораздо больше энергии термоядерной реакции, чем будет затрачено на нагрев. Фактически реакция будет идти в виде взрыва, а весь концепт называется "инерционным удержанием", с тем смыслом, что термоядерная реакция идет, пока плазменную мишень от разлета удерживают силы инерции.


Инерционный характер создания необходимых условий подразумевает, что начальную энергию надо вкладывать как можно быстрее, на высокой мощности - и лазерам тут нет равных.


Спутниковый снимок строящейся установки ЛТС УФЛ-2М в ядерном центре в Сарове сделанный 22 августа 2017 года. Длина здания - 330 метров, видно помещение испытательной камеры и длинные ангары для лазеров.


Изначально, теория ЛТС рассматривала вариант с просто нагревом топлива лазером - но для этого нужно было вложить минимально порядка 100 мегаджоулей лазерной энергии - что даже сейчас далеко за пределами возможностей техники (рекордные ЛТС установки - NIF в США, Laser Megajoule во Франции и УФЛ-2М в России оперируют энергиями в 1,5-2,5 мегаджоуля). Однако, в начале 70х была предложена схема, в которой, теоретически, достаточно было вложить уже всего сотню килоджоулей для зажигания термоядерного топлива. Схема была такая: шарик из замороженной DT смеси (наиболее простое для зажигания топлива) имел внутреннюю полость c DT газом. Множество лазеров симметрично нагревают шарик снаружи, из-за чего оболочка начинает испарятся и своей реактивной тягой толкает остатки к центру. Газ в шарике адиабатически сжимается, и в момент коллапса достигает термоядерных температур и плотностей - в нем зажигается термоядерная реакция, которая своим теплом поджигает и остатки оболочки.


Идея красивая, она вызвала первый значительный всплеск интереса к лазерному ЛТС, в т.ч. со стороны журналистов. Однако, через десятилетие, после строительства больших установок с килоджоулевыми лазерами оказалось, что схема эта не работает - несимметричный нагрев приводит к разрушению мишени до достижения необходимых температур и давлений.



Форма мишени NIF , сжатой лазерным излучением в момент минимального размера (2 разных эксперимента сверху и снизу). Видно, что красивой сферы, наилучшим образом обеспечивающей энерговыделение, не получается.

В принципе, на этом по большому счету, история ЛТС и заканчивается. Были построены грандиозные установки, предложена масса усовершенствования схемы адиабатического сжатия (например - нагрев не прямыми лазрными лучами, а рентгеном от плазмы окружающего мишень хольраума, в который врезалась энергия лазерного излучения ), однако результат так и не был достигнут.


Сложность установок ЛТС давно превысила все мыслимые пределы, которые могли бы быть интересны энергетикам, однако с самого начала у лазерных термоядерщиков был и другой заказчик - военные. Их интерес сначала заключался в возможном получении термоядерных боеприпасов, которые бы не требовали ядерного детонатора - т.е. теоретически тут можно было бы получить оружие с термоядерной мощностью, но без ядерного загрязнения.  Затем, на фоне запрещения испытания ядерного оружия ЛТС-установки оказались хорошим источником экспериментальных данных по поведению материи в условиях, характерных для ядерного/термоядерного взрыва - т.е. как минимум на них и только на них можно было бы получать константы для кодов, в которых моделируют поведение ядерного оружия, ну и вообще моделируя ЛТС-эксперименты на этих же кодах их можно проверять на правильность.



Строительство Laser Megajoule - по масштабам похоже на ИТЭР (хотя стоимость в 3 миллиарда евро - в 7 раз ниже), но термоядерной энергии за год здесь будет выделятся в 100.000 раз меньше, чем планируется получать в ИТЭР.

Так или иначе, рассматривать сегодня ЛТС как подход к энергетическому термоядерному реактору - это как минимум лукавить или опираться на очень устаревшее понимание ситуации. И вот тут находится человек, который говорит, что ЛТС, как реактор - вполне себе ничего, и более того - на нем можно зажигать даже гораздо более сложную, но гораздо более желанную реакцию pB11 (протон-бор).




Желанную исключительно из-за почти полного отсутсвия нейтронов и очень дешевого и доступного топлива - так-то достичь условия горения  pB11 гораздо сложнее, чем для DT.

Что же предложил Генрих Хора? На самом деле, свою идею ЛТС он развивает и продвигает порядка 30 лет, но СМИ возбудились только после очередной (правда обзорной) его статьи. Хора предлагает “детонировать” цилиндрические топливные элементы из водородно-борного топлива, на один из концов которого попадает лазерное излучение с плотностью мощности в 10^18 ватт на квадратный сантиметр. При этом блок топлива ионизируется и разгоняется лазером до скорости ~1000 км/с в направлении остального топлива, при столкновении с которым зажигается термоядерная реакция. От неустойчивостей и разлета в радиальном направлении всю конструкцию должно удерживать магнитное поле в 4500 Тесла, которое будет получено тоже с помощью лазера на специальной конструкции, окружающей топливо.


Схема экспериментальной установки: синий цилиндр - топливо, желтая конструкция - лазерный генератор магнитного поля, справа - экспериментальная камера, за счет электростатического потенциала на ней должна выделятся энергия продуктов термоядерной реакции.


Хора утверждает, что вся эта конструкция способна выдать  ~1,1 ГДж термоядерной энергии при затратах всего в несколько десятков килоджоулей электроэнергии. Основной лазерный драйвер, правда, нужен довольно мощный - 30 петаваттный, что превышает сегодняшний рекорд, впрочем, превышает не кардинально (раза в 3). Примерно такой же разрыв есть по магнитной системе.


Впрочем, у специалистов претензии в этой работе вызывает не требуемые технические параметры лазеров и магнитов, а работоспособность идеи в целом. Начать с того, что работа опубликована в журнале, к которому не имеет доступа подавляющее большинство физиков-плазмистов и термоядерщиков, более того, это означает что при рецензировании статьи до публикации на предмет ее реалистичности (что всегда делается в научных журналах) и правильности профильные физики ее скорее всего не видели.


А увидеть бы не мешало. До появления идеи с сферическим обжатием и реактивным “уплотнением” топлива в ЛТС цилиндрические (“одномерные”) варианты с разными вариантами замагничивания, дополнительного удержания и прочими хитростями были очень популярны и довольно неплохо проработаны. Однако все эти варианты так и не заработали - а эмпирика крайне важна в этой отрасли науки, т.к. очень сложная взаимосвязь явлений в термоядерной плазме часто приводит к недоучету проблем и сложностей, мешающих достижению нужных параметров.


Команда NIF использует 20-летний опыт, сложнейшее оборудование, передовые коды, однако результаты все равно не очень.


Второй неприятный звоночек связан с тем, что физическая модель и ее моделирование поданы очень невнятно по меркам физиком, можно сказать, что набросаны в эскизе, после чего автор сразу переходит к результатам. Промежуточные модели и результаты моделирования тоже не доступны.


При этом даже те идеи, что проговариваются в статье не стыкуются между собой. Например, сверхмощное магнитное поле категорически противопоказано реакции pB11 - при этом очень сильно растут циклотронные потери, приводя к быстрому остыванию плазмы и затуханию реакции. Еще один важный канал снижения потерь в этой реакции (а потери энергии - главная и очень серьезная проблема pB11) - неравновесная плазма, где большинство ионов имеют температуру резонансного пика вероятности реакции. Такая конфигурация позволяет улучшать энерговыход, и Хора тоже постулирует ее наличие, однако дальше идут рассуждения про подогрев термоядерного топлива продуктами реакции (альфа-частицами), что убивает неравновесность.



Предложенная схема циркуляции энергии работать не будет.

Такие “детские” ошибки в рассуждениях вкупе с максимальным осложнением доступа квалифицированных критиков к данной публикации убивают на корню доверие к словам о решении проблем лазерного термоядерного синтеза Генрихом Хора. Даже если бы статья была написана по всем канонам правильно, это бы не гарантировало положительный результат - мегаустановка NIF, физически спроектированная лучшими умами из отрасли пока добилась энерговыхода в ~1% от планировавшегося, альтернативный красивейший магнитно-инерциальный эксперимент MagLIF получил ~10% энерговыхода. Неудача - это в некотором смысле наиболее ожидаемый результат экспериментов на этом поле, поэтому с оптимизмом про ЛТС-проекты могут писать только полностью не знающие историю этого направления журналисты.


Что ж, будем ждать новостей - например по строительству отечественной установки УФЛ-2М или новой серии экспериментов MagLIF, которая должна пройти в 2018 году и наслаждаться красивой физикой.


Tags: Альтернативы УТС
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 175 comments