Инерционен контролиран термоядрен синтез без лазери (видео)

Ваня Милева Последна промяна на 08 февруари 2024 в 00:00 7035 0

Триизмерна симулация показва снаряд, който се удря в мишена с форма на куб, съдържаща малки наподобяващи мехурчета кухини, които насочват енергията от сблъсъка към капсула, съдържаща гориво за термоядрен синтез.

Кредит First Light Fusion
Триизмерна симулация показва снаряд, който се удря в мишена с форма на куб, съдържаща малки наподобяващи мехурчета кухини, които насочват енергията от сблъсъка към капсула, съдържаща гориво за термоядрен синтез.

Неотдавнашните пробиви в областта на лазерния термоядрен синтез дадоха тласък на редица стартъпи - един от тях планира да замени лазерите с високоскоростен снаряд.

Изследователите многократно са доказвали, че лазерната светлина, която се удря в капсула, пълна с водород, може да възпламени реакции на ядрен синтез, при които се получава повече енергия от тази, доставена от лазерните лъчи (вж. "Лаборатория в САЩ постигна отново самоподдържащ се термоядрен синтез"). Тези демонстрации на т.нар. термоядрен синтез с инерционно компресиране (Inertial confinement fusion), извършени от Национална инсталация за запалване (National Ignition Facility - NIF), вдъхновиха редица последователи. Стартиращи компании в САЩ, Европа и Азия проучват проекти за електроцентрали, които един ден биха могли да доставят електричество с помощта на термоядрен синтез в мрежата.

Термоядреният синтез

На ядрения синтез се гледа като на потенциално неограничен източник на чиста енергия, създаван от същите процеси в ядрото на Слънцето. При използване на интензивна топлина, магнитни полета и налягане ядрата на по-леките елементи се сливат, за да се създадат по-тежки елементи, като при това се освобождава енергия. Като задържат този подобен на звездния процес в специално проектирани реактори, инженерите могат да слеят водородни атоми, за да произведат хелий, използвайки произведената чиста енергия и потенциално намалят зависимостта от изкопаеми горива. За да се осъществи реакцията, свръхнагрятият газ - в състояние на плазма - се подлага на налягане, което по същество притиска атомите един към друг и ги принуждава да реагират.

Инерционният термоядрен синтез (ICF - Inertial confinement fusion) е процес на термоядрен синтез, при който се инициират реакции на ядрен синтез чрез компресиране и нагряване на мишени, пълни с гориво.

Една от тези компании, First Light Fusion в Оксфорд, Великобритания, има радикална идея: инерционен термоядрен синтез без лазери. Механизмът за производство на термоядрен синтез ще представлява сблъсък между снаряд с форма на монета и специално опакована капсула, пълна с водород.

Екипът на First Light неотдавна регистрира реакции на термоядрен синтез със своята инсталация и сега конструира демонстрационен модел, който се надява до края на десетилетието да покаже самоподдържащо се горене или "запалване".

Национална инсталация за запалване показа, че методът ICF работи 

Съществуват много подходи към реакторите за ядрен синтез, но една от основните стратегии е термоядреният синтез с инерционно компресиране, прилаган от NIF. Основните елементи на този подход са горивна капсула с размер на грахово зърно (обикновено смес от изотопи на водорода, деутерий и тритий) и средство за бързо компресиране и нагряване на това гориво. В NIF компресирането се осъществява от 192 високоенергийни лазерни лъча, които се насочват към горивото от различни посоки. Но лазерната светлина не попада директно в капсулата. Вместо това тя нагрява метален контейнер до няколко милиона градуса, генерирайки рентгенови лъчи, които облъчват капсулата и предизвикват реакцията на термоядрен синтез.

Предусилватели, които усилват лазерните лъчи в National Ignition Facility. Кредит: LLNL/Damien Jemison

След години на неуспехи NIF наскоро отбеляза все по-високи добиви от лазерните изстрели. През декември 2022 г. изследователите съобщават, че са произвели 3,15 мегаджаула (MJ) енергия от лазерно подаване на 2,05 MJ, което означава увеличение с 1,5. Този етап показа, че е възможно да се извърши термоядрен синтез с помощта на подхода на инерционното компресиране.

"Мисля, че интересът към инерционния термоядрен синтез е много голям след резултата от NIF", коментира Ник Хоукър (Nick Hawker), съосновател и главен изпълнителен директор на First Light. Този ръст е насочен към разработването на промишлени електроцентрали, работещи с ядрен синтез - който обещава да бъде по-чиста и по-устойчива алтернатива на ядреното делене.

Областта на термоядрения синтез с инерционно компресиране е преобразена през последните няколко години, разказва Роби Скот (Robbie Scott), теоретик на термоядрения синтез от лабораторията Rutherford Appleton във Великобритания.

"В миналото повечето усилия са били насочени към науката, а не към разработването на инженерните решения, необходими за производството на енергия", отбелязва Скот. Сега обаче се говори много за това как научните постижения на NIF да се превърнат в работеща електроцентрала. "Доказахме, че фундаменталната физика работи, но има още много да се направи по отношение на оптимизацията на технологията", смята Скот.

Прочетете повече: "Ядрен синтез: Има ли пробив и какво ще означава това?"

NIF не е проектиран да произвежда електроенергия

NIF обаче не е проектиран да произвежда електроенергия. Лазерът на NIF се нуждае от около 400 MJ електроенергия за всеки изстрел, така че нетната печалба е по-малко от 1 %. Дори ако можеше да се произведе повече енергия, отколкото се влага, в момента няма начин да се възстанови тази изходна енергия и да се превърне в електричество. Освен това експериментът на NIF може да се справи само с около един изстрел на ден, докато работещата инсталация би се нуждаела от източник, който да може да изстрелва около един изстрел в секунда. Така че пред електроцентралите, базирани на термоядрен синтез, стоят огромни предизвикателства.

Нови играчи - всеки със свой подход за термоядрен синтез 

Но тези предизвикателства не плашат предприемачите. Според Асоциацията на индустрията за термоядрен синтез, която подпомага промишления термоядрен синтез, First Light стартира през 2011 г., когато частният сектор на базата на термоядрен синтез наброява девет компании. Днес две дузини компании се занимават с широка гама от стратегии, които включват инерционно компресиране и други методи за термоядрен синтез. "Комерсиалният сектор е абсолютно отворен за идеи", заявява Хоукър.

Повечето от новосъздадените фирми за инерционно компресиране следват стъпките на NIF, но с променен дизайн.

"Демонстрацията на запалването на NIF бе последната част от непознатата физика", заявява Хюго Дойл (Hugo Doyle), ръководител на експерименталната физика на First Light. "Всичко останало е просто увеличаване на мащаба й."

Базираната в Калифорния компания Longview Fusion Energy Systems планира да изгради реактор, подобен на NIF, но с по-ефективен лазер и честота на повторение на изстрелите от няколкостотин пъти в минута. Focused Energy в Тексас има двуимпулсен подход за имплодиране и запалване на горивото, докато Xcimer Energy в Калифорния планира да замени твърдотелния лазер на NIF с газов лазер, който се очаква да доставя повече от 10 MJ енергия на изстрел. Други две компании - Marvel Fusion в Германия и HB11 в Австралия - ще се опитат да заменят чистото водородно гориво с такова, съдържащо елемента бор.

"Наличието на различни варианти на този етап е полезно", коментира Майкъл Кембъл (Michael Campbell), бивш директор на Лабораторията за лазерна енергетика към Университета в Рочестър, Ню Йорк. Той смята, че общността  трябва да се възползва от това разнообразие и да разгледа внимателно предимствата и предизвикателствата на всеки вариант.

Дойл е на същото мнение: "Преди няколко години хората питаха: "Кога термоядреният синтез ще покаже положителни резултати?", казва той. "Сега въпросът е: Ще бъде ли икономически изгодно изграждането на електроцентрала?" Дойл смята, че стартиращи компании като First Light ще се конкурират помежду си, за да видят кой може да произвежда електроенергия от термоядрен синтез на най-ниска цена.

Подходът на First Light

Подходът на First Light е да се откаже изцяло от лазерите. В нещо, което звучи като връщане към древната артилерийска конструкция, изследователите на компанията изстрелват метален снаряд към горивна капсула, подобна на тази на NIF, вградена в куб. Ключовата технология се крие в този куб, който екипът нарича усилвател. Усилвателят съдържа няколко малки сферични кухини, които насочват енергията на удара от снаряда към горивната капсула. "Това е като леща за фокусиране на светлина", обяснява Хоукър. "Но тя е за фокусиране на ударни вълни."

Това фокусиране може да превърне скоростта на снаряда от няколко десетки километра в секунда - еквивалентна на налягане на удара от около 100 гигапаскала - в скорост на имплозия на капсулата от няколкостотин километра в секунда (еквивалентна на налягане на горивото от 10-100 терапаскала), достатъчна за задвижване на реакция на термоядрен синтез.

От скаридата-пистолет до термоядрения синтез

Идеята на First Light за нов метод за термоядрен синтез идва от природата - от скаридата Alpheidae или скаридата-пистолет, която изстрелва въздушни куршуми. Това ракообразно има огромна щипка, която може да затвори с "щракване" при много висока скорост. Движението е толкова бързо, че изстрелва ударна вълна във водата и я натоварва толкова много, че се разкъсва и образува балон. Ударната вълна и мехурът взаимодействат и балонът се свива толкова бързо, колкото се образува. Парата вътре се нагрява до десетки хиляди градуси и излъчва ярка светлина.

Десетки хиляди градуси звучат впечатляващо, но синтезът се нуждае от десетки милиони. Изследователите на First Light развиват идеята си от симулационна работа, разглеждаща колапс на кухина, предизвикан от ударна, питайки се дали това явление може да достигне условия за синтез. И вместо щипка на скарида, използват доста по-голям и по-бърз чук, високоскоростен снаряд.

Екипът се цели в два аспекта, усилвателя и горивната капсула. Усилвателят прави две неща. Първо, той повишава налягането на удара. Ударната вълна предизвиква колапс в кухина, образувайки струя, която пресича кухината и се удря в задната стена. Полученото налягане е по-високо от налягането на първоначалния входящ удар.

Мишените са ключовата технология в подхода на First Light към синтеза и почти всички те са търговски тайни. Един пример използва три кухини, две големи и една малка. Свиването на двете по-големи кухини фокусира натиска върху малката между тях, която се свива с по-високо налягане и от две страни, а не от една.

Този "снаряден термоядрен синтез" е значителна крачка встрани от пътя, по който върви NIF, но би могъл да предложи някои предимства по отношение на простотата. "Те прилагат нов подход към инерционния синтез, който, ако работи, може да бъде значително по-евтин от подходите, базирани на лазер", посочва Скот.

Кембъл също смята, че First Light има интересен подход.

"Те разполагат с добър научен и инженерен екип, така че съм впечатлен от това." Той казва, че не може да коментира целевия дизайн, тъй като повечето от подробностите не са публично достъпни, но е виждал някои от бъдещите им проекти на инсталации. "Те имат някои иновативни технологии, които си струва да бъдат разгледани", добавя Кембъл.

При пробен експеримент през ноември 2021 г. компанията съобщи, че е генерирала термоядрен синтез, като е използвала мощно газово оръдие за ускоряване на снаряд към мишената с гориво. Доказателство за синтеза бе откриването на около 50 неутрона от реакционния център - малък добив, но в съответствие с прогнозите на техните модели. С финансиране от около 100 млн. долара (предимно от частни инвеститори) компанията сега изгражда увеличена версия на своя експеримент, която ще изстрелва снаряди със скорост 60 км в секунда, използвайки генератор на електромагнитни импулси. Целта е да се демонстрира запалване - постижение, което би съответствало на добив от 1016 неутрона.

"Това звучи като огромен преход", коментира Хоукър. Но казва, че термоядреният синтез е много нелинеен, което означава, че малко подобрение в конструкцията може да окаже голямо влияние върху мощността. "Чувствам се много добре с целите на нашия демонстрационен модел за запалване", изтъква Хоукър.

Очаква се демонстрационният модел да бъде завършен през втората половина на това десетилетие. Компанията е започнала да обмисля и следващата стъпка: промишлен реактор. За да се предпази чувствителното оборудване от интензивното освобождаване на енергия при термоядрен синтез, планът включва пускане на горивната мишена (капсулата и нейния усилвател) в камера и изстрелване на снаряда отгоре. Ударът ще се случи в центъра на камерата, където покривало от течен литий ще погълне енергията на реакцията и ще я предаде като топлина на пълен с вода котел за производство на електроенергия. Литиевото одеяло ще позволи също така възстановяването или "възпроизвеждането" на тритиево гориво, тъй като високоенергийните неутрони от реакциите на термоядрен синтез могат да взаимодействат с лития, за да се получи тритий плюс хелий.

Перспективи и предизвикателства

Други проекти на термоядрени реактори имат подобна конфигурация със защитни покривала и топлообменници. Дойл посочва, че разликите между проектите понякога са незабележими, но те могат да окажат влияние върху производството на тритий и други важни въпроси, като например справянето с радиоактивните отпадъци. За разлика от деленето, при термоядрения синтез не се очаква да се образуват високоактивни отпадъци - които остават радиоактивни в продължение на десетки хиляди години и представляват огромно предизвикателство за съхранение. Но някои от неутроните, излъчвани при реакциите на термоядрен синтез, могат да попаднат в околните структури, като например метални стени, предизвиквайки ядрени трансформации в материалите. Такива "активирани" материали биха могли да представляват междинни отпадъци, които ще трябва да бъдат надлежно депонирани. По-ниският профил на отпадъците би могъл да бъде силен аргумент в полза на бъдещите проекти на термоядрени електроцентрали, отбелязва Дойл.

First Light планира да изгради пилотна инсталация в средата на 30-те години на миналия век. Други компании, занимаващи се с инерционно компресиране, са си поставили подобни срокове. Скот и Кембъл не са толкова оптимистично настроени: и двамата смятат, че първите работещи реактори може да не са готови преди 2040-те години. "Имам една шега", споделя Кембъл. "Казвам, че 28-годишният ми син вероятно ще види промишлена термоядрена енергия през живота си. И благодарение на подобряването на продължителността на живота, това може да стане или когато е на 50, или когато е на 120 години."

Източник: Inertial-Confinement Fusion without Lasers, Рhysics

Виж още за:
Най-важното
Всички новини

Още от Физика

Коментари

За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !