15 июля 2020

Американская компания LPPFusion разрабатывает принципиально новый вариант «плотной фокусировки плазмы» для малой термоядерной электростанции

Atomic-Energy.ru

Как известно, одним из наиболее перспективных в будущем источников энергии считается термоядерная энергетика, в ходе которой энергия выделяется в результате слияния лёгких ядер (например, дейтерия и трития), аналогично реакциям, которые являются источником энергии звёзд. Освоение управляемого термоядерного синтеза способно дать человечеству практически неисчерпаемый источник энергии.

Сложность в осуществлении термоядерной реакции заключается в том, что для того, чтобы преодолеть силу электрического отталкивания атомных ядер и сблизить их на расстояние, позволяющее начать реакцию синтеза, необходимо, чтобы произведение температуры и концентрации ядерного топлива было не менее определённого значения, аналогично условиям, существующим в недрах звёзд. Конкретно, нужны температуры порядка десятков миллионов градусов Цельсия плюс сильное сжатие топливной смеси, что представляет собой очень сложную техническую задачу.

В настоящее время учёные рассматривают несколько различных вариантов, как технически добиться создания условий, достаточных для осуществления термоядерной реакции. Наиболее распространёнными направлениями считаются магнитное удержание плазмы (одним из вариантов этого направления является токамак, реализуемый сейчас в строящемся международном термоядерном реакторе ИТЭР), а также инерционный (лазерный) синтез, когда необходимые нагрев и сжатие топливной смеси осуществляются с помощью мощных лазерных лучей.

Однако возможно также и много других вариантов. В частности, американская компания LPPFusion разрабатывает вариант под названием «плотная фокусировка плазмы» (англ. dense plasma focus, сокращённо DPF). В ходе данного процесса осуществляется мощный электрический разряд (наподобие микроскопической молнии), осуществляемый в течение короткого времени в небольшом объёме; в результате чего первоначально образуются нитевидные плазменные структуры, впоследствии соединяющиеся в «плазмоид», условия в котором приближаются к тем, которые необходимы для термоядерной реакции.

Данный процесс известен ещё с 1960-х годов, и сейчас используется во многих лабораториях мира для исследований в области физики плазмы, а также для получения рентгеновских лучей и нейтронов. Однако использование DPF для термоядерного синтеза до сих пор всерьёз не рассматривалось, хотя известно, что в камере, содержащей дейтерий, данный процесс может приводить к слиянию атомных ядер.

Разработчик проекта Эрик Лернер

Базирующаяся в американском штате Нью-Джерси частная компания Lawrenceville Plasma Physics, Inc (сокращённо LPPFusion) под руководством Эрика Лернера взялась исправить это упущение и сосредоточиться на использовании явления фокусировки плазмы для термоядерного синтеза. Несмотря на весьма ограниченный бюджет (7 млн долларов за 10 лет исследований), компания поэтапно приближается к своей цели. Рубежный результат был достигнут в 2016 году, когда в созданном LPPFusion устройстве была достигнута температура 2,8 млрд градусов – выше, чем во всех любых других ранее используемых термоядерных установках. Эта температура в 200 раз выше, чем в центре Солнца и в 15 раз выше, чем максимальная прогнозируемая температура, которая будет достигнута в будущем реакторе ИТЭР.

Предыдущие эксперименты LPPFusion проводились с дейтерием (тяжёлый изотоп водорода), однако начиная с конца нынешнего года компания планирует начать осваивать термоядерную реакцию слияния атомов водорода и бора. Преимущества этой реакции по сравнению с наиболее распространённой сейчас реакцией слияния ядер дейтерия и трития (которая будет использоваться в том же ИТЭР) состоит в том, что в данной реакции отсутствует нейтронное излучение, соответственно, не будет радиоактивности.

Для того, чтобы получить возможность создать коммерческую термоядерную электростанцию, необходимо разработать технологию прямого преобразования энергии термоядерного синтеза в электроэнергию, над чем LPPFusion сейчас также работает. По оценкам разработчиков, создать экономически эффективную термоядерную электростанцию можно на базе устройства размером несколько метров, в котором пульсация плазмы частной 200 разрядов в секунду обеспечивает электрическую мощность 5 МВт, а при необходимости получения большей мощности можно объединить несколько таких устройств, как в случае малых модульных ядерных реакторов. В LPPFusion утверждают, что развёртывание данной технологии в промышленных масштабах позволит снизить стоимость производства электроэнергии в 10 раз по сравнению с ныне используемыми технологиями.