Термоядерный синтез 70 лет запускали не с того конца: как работает найденный учеными «короткий путь» к энергии будущего

Главная задача управляемого термоядерного синтеза — получить электричество за счет слияния легких атомных ядер, в первую очередь изотопов водорода: дейтерия и трития. Когда два таких ядра соединяются в одно более тяжелое ядро гелия, выделяется огромное количество энергии.

Однако заставить ядра слиться крайне сложно. Каждое атомное ядро несет положительный электрический заряд. Одноименные заряды отталкиваются друг от друга, и чем ближе ядра подходят друг к другу, тем сильнее это взаимное отталкивание. Чтобы преодолеть этот электрический барьер, вещество нужно перевести в состояние плазмы — разогреть газ до сотен миллионов градусов. При такой температуре атомы распадаются на отдельные ядра и электроны, а сами ядра разгоняются до таких скоростей, что при столкновении пробивают силу отталкивания и соединяются.

Просто разогреть газ недостаточно. Если частицы будут летать в разреженном пространстве слишком далеко друг от друга, они почти не будут сталкиваться, и реакция быстро затухнет. Поэтому плазму нужно сделать достаточно плотной и удерживать в замкнутом объеме в течение определенного времени, не давая ей остыть.

Связь между этими тремя параметрами — температурой, плотностью и временем удержания энергии — еще в 1950-х годах описал британский физик Джон Лоусон. Сформулированное им математическое правило, известное как критерий Лоусона, более семидесяти лет служит основным ориентиром для создателей термоядерных установок. Критерий точно показывает, каких показателей нужно достичь, чтобы реакция синтеза выделяла достаточно тепла для поддержания самой себя без внешнего подогрева.

При этом в формуле Лоусона есть существенный пробел. Она задает только конечный результат, но не описывает сам процесс перехода к нему. Из нее не следует, в какой последовательности нужно менять параметры вещества внутри реактора.

Традиционный подход, который десятилетиями применяют инженеры в большинстве проектов, выглядит так: сначала в камеру реактора подают много газа и создают высокую плотность плазмы, а затем включают внешние системы нагрева на максимальную мощность, пытаясь довести это плотное облако до нужной температуры.

Физики из Принстонской лаборатории физики плазмы Министерства энергетики США Луис Дельгадо-Апарисио, Масаюки Оно и Джонатан Менард математически проверили, что изменится, если поменять эти этапы местами. Результаты их работы, опубликованные в научном журнале Physical Review Letters, показывают: если сначала разогреть до максимальных температур разреженную плазму низкой плотности и только после этого постепенно добавлять в нее новое топливо для повышения плотности, запуск самоподдерживающейся реакции потребует значительно меньше энергии.

Почему порядок нагрева и уплотнения меняет расход энергии

Конечная цель любого промышленного термоядерного реактора — достичь режима так называемой горящей плазмы. В современных экспериментальных установках плазма остывает быстрее, чем в ней идут реакции синтеза, поэтому ее приходится непрерывно греть извне мощными антеннами, лазерами или пучками разогнанных частиц. В режиме горящей плазмы внешние нагреватели больше не нужны: энергия, которая выделяется при слиянии первых ядер, остается внутри камеры и разогревает соседние холодные ядра. Реакция начинает поддерживать сама себя.

Чтобы оценивать, насколько реактор близок к этому состоянию, физики используют специальный показатель мощности, обозначаемый латинской буквой Q. Он показывает отношение тепловой мощности, которую вырабатывает сама термоядерная реакция, к мощности внешних обогревателей, работающих в этот же момент.

• Если Q равен 1, это значит, что реакция синтеза дает ровно столько же энергии, сколько тратится на подогрев плазмы.
• Если Q равен 5, термоядерная реакция вырабатывает в пять раз больше тепла, чем потребляют внешние системы нагрева.

Когда инженеры пытаются идти по стандартному пути — сначала создают высокую плотность газа, а затем нагревают его, — они сталкиваются с высоким сопротивлением среды. В плотном газе частицы постоянно сталкиваются друг с другом. При каждом таком столкновении на промежуточных температурах электроны теряют скорость и выбрасывают энергию наружу в виде излучения. В результате огромная часть мощности внешних нагревателей уходит впустую: чем плотнее газ на старте, тем быстрее он остывает и тем больше мегаватт энергии нужно закачать в камеру, чтобы пробить этот барьер охлаждения.

Принстонские физики рассчитали на графике состояний плазмы особую зону, которая в профессиональной литературе называется точкой Корди. Это строго определенное сочетание температуры и плотности, при котором переход от принудительного внешнего подогрева к самоподдерживающейся реакции требует минимально возможной мощности оборудования.

В идеальных условиях, когда в камере находится только абсолютно чистое водородное топливо, эта оптимальная зона перехода открывается при значении Q около 5. Выйти в эту точку с минимальными затратами электричества позволяет именно обратный сценарий:

1. В камеру реактора подают минимальное количество газа.
2. Поскольку частиц мало, они редко сталкиваются вхолостую и почти не теряют тепло на излучение. Внешние нагреватели быстро и с малыми затратами энергии разгоняют эти немногочисленные ядра до температур, при которых начинаются первые реакции слияния.
3. Когда температура уже достигнута и в разреженном газе началось выделение собственного термоядерного тепла, инженеры начинают плавно повышать плотность, подавая в камеру новые порции топлива.

При такой последовательности действий реактор обходит режимы с максимальными потерями тепла и выходит на самоподдерживающуюся реакцию с гораздо меньшей нагрузкой на энергетические системы.

Четыре причины потери энергии в реальных установках

Описанный выше показатель Q = 5 работает только в теоретических расчетах для идеально чистого газа. На практике внутри действующих реакторов — токамаков и стеллараторов — происходят процессы, которые отбирают энергию у плазмы и усложняют запуск реакции.

Токамаки и стеллараторы устроены по схожему принципу: это замкнутые вакуумные камеры в форме кольца, окруженные мощными электромагнитами. Поскольку ни один твердый материал на Земле не выдержит прямого контакта с веществом, нагретым до ста миллионов градусов, плазму удерживают на весу внутри камеры с помощью магнитного поля.

В более ранних научных работах факторы, мешающие работе таких магнитных ловушек, обычно просчитывали по отдельности для упрощения вычислений. Авторы нового исследования впервые объединили в одной формуле сразу четыре главных источника потерь и посмотрели, как они влияют друг на друга:

1. Накопление отработанного гелия

Когда ядра дейтерия и трития сливаются, образуется ядро гелия. В первые доли секунды это ядро несет в себе большой запас энергии: сталкиваясь с окружающими частицами водорода, оно передает им свое тепло и помогает поддерживать температуру в камере. Но после того как ядро гелия остывает, оно превращается в бесполезный балласт.

Гелий больше не вступает в термоядерные реакции, но продолжает занимать место в магнитной ловушке. По мере работы реактора концентрация этого отработанного газа растет. Он разбавляет основное топливо, мешает ядрам водорода встречаться друг с другом и снижает общую выработку энергии.

2. Загрязнение плазмы частицами со стенок камеры

Даже самое сильное магнитное поле не удерживает все сто процентов частиц. Отдельные быстрые ионы и электроны вырываются на края плазменного кольца и ударяются о внутренние металлические стенки реактора. От этих ударов из поверхности металла выбиваются отдельные атомы, которые попадают внутрь горячей плазмы. Присутствие посторонних химических элементов резко нарушает температурный баланс и снижает эффективность нагрева.

3. Излучение электронов в магнитном поле

По законам физики любая электрически заряженная частица, которая движется с ускорением или меняет направление своего движения, начинает излучать электромагнитные волны и терять энергию.

Внутри токамака или стелларатора действует сверхсильное магнитное поле. Оно заставляет легкие электроны постоянно закручиваться по спирали вокруг магнитных линий на огромных скоростях. Поскольку электроны непрерывно меняют траекторию, они постоянно испускают так называемое синхротронное излучение. Это излучение свободно проходит сквозь плазму и уносит значительную долю тепловой энергии на стенки реактора.

4. Прямой отток тепла из центральной зоны

Плазма внутри реактора нагрета неравномерно: в самом центре кольца температура максимальна, а ближе к стенкам камеры вещество значительно холоднее. Тепло всегда стремится перейти от более нагретых участков к более холодным. Из-за разницы температур внутри плазмы возникают сложные завихрения и потоки, которые выносят горячие частицы из центра наружу. При этом расчеты показывают: чем сильнее инженеры разогревают центральную часть плазмы, тем интенсивнее становятся эти потоки и тем быстрее тепло уходит из рабочей зоны.

Когда исследователи из Принстона включили все четыре перечисленных процесса в единую математическую систему, выяснилось, что реальный порог запуска самоподдерживающейся реакции существенно выше, чем показывали старые упрощенные формулы. Показатель Q, необходимый для прохождения оптимальной точки Корди, увеличивается, а требования к оборудованию реактора становятся гораздо строже.

Почему вольфрамовые стенки могут сорвать запуск реактора

Отдельное внимание в новой расчетной модели уделено вольфраму. Вольфрам — это самый тугоплавкий металл в природе, он плавится только при температуре выше 3400 градусов Цельсия и отлично сопротивляется разрушению. Именно поэтому конструкторы более чем десятка строящихся и проектируемых термоядерных реакторов нового поколения выбрали вольфрам в качестве основного материала для внутренней облицовки вакуумных камер.

Расчеты принстонской группы выявили серьезную опасность этого инженерного решения. Проблема кроется в строении атома вольфрама.

У водорода (основного термоядерного топлива) в ядре находится всего один протон, вокруг которого вращается один электрон. При нагреве уже до нескольких десятков тысяч градусов этот единственный электрон отрывается от ядра, и атом водорода перестает излучать энергию за счет переходов электронов с орбиты на орбиту.

Атом вольфрама устроен иначе: в его тяжелом ядре сосредоточено 74 протона, которые удерживают вокруг себя 74 электрона. Сила притяжения такого крупного ядра настолько велика, что даже при температуре в сто миллионов градусов атом вольфрама не теряет все свои электроны — часть из них остается на внутренних орбитах.

Когда такой частично оголенный атом вольфрама попадает внутрь горячей плазмы, он начинает работать как мощный охладитель. Окружающие частицы плазмы постоянно ударяются об него и передают ему свою энергию. Оставшиеся электроны вольфрама поглощают эту энергию, переходят в возбужденное состояние и мгновенно сбрасывают полученное тепло наружу в виде рентгеновского излучения, для которого плазма полностью прозрачна.

Математический анализ показал критическую зависимость реактора от чистоты среды:

• Если в плазму со стенок попадет такое количество вольфрама, что на каждые 10 000 атомов топлива будет приходиться всего 1 атом вольфрама (концентрация 0,01 процента), потери энергии на излучение вырастут настолько сильно, что для запуска самоподдерживающейся реакции давление плазмы придется увеличить ровно в два раза.

Давление плазмы напрямую зависит от ее плотности и температуры. Чтобы удерживать плазму с удвоенным давлением, требуется гораздо более жесткая конфигурация магнитного поля.

На первом этапе ученые проводили эти расчеты в упрощенной двумерной плоскости. Но когда они перенесли уравнения в полноценную трехмерную модель, которая учитывает реальную объемную геометрию реактора, обнаружилось фундаментальное ограничение. Давление плазмы, необходимое для преодоления охлаждающего эффекта от 0,01 процента вольфрама, превышает предел прочности магнитного удержания.

Это означает, что в трехмерном пространстве при таком высоком давлении плазма теряет устойчивость: в ней возникают колебания и разрывы, которые магнитное поле уже не может сдержать. Плазменное кольцо разрушается и гаснет раньше, чем достигает условий для начала самоподдерживающейся реакции. Таким образом, даже минимальное распыление вольфрамовых стенок способно сделать работу некоторых проектируемых реакторов физически невозможной.

Как потери энергии помогают стабилизировать уже работающий реактор

Несмотря на то что излучение и утечки тепла сильно мешают на этапе разогрева, исследование выявило их обратную, полезную роль. Как только реактор преодолевает порог запуска и переходит в режим горящей плазмы, те же самые потери энергии начинают защищать установку от перегрева.

В теории термоядерного синтеза давно известна проблема неконтролируемого роста температуры. Механизм этого явления прост: когда реакция синтеза начинается, она выделяет тепло. От этого тепла температура плазмы растет еще сильнее. Поскольку при более высокой температуре ядра двигаются быстрее и сталкиваются чаще, скорость реакции снова увеличивается, что дает еще больше тепла. Возникает замкнутый цикл взаимного усиления.

Важно понимать, что в отличие от традиционных атомных электростанций, работающих на делении тяжелых ядер урана или плутония, в термоядерном реакторе такой разгон температуры никогда не приведет к ядерному взрыву или выбросу радиации. Внутри камеры реактора в каждый момент времени находится ничтожно малое количество газа — буквально доли грамма, которых хватает лишь на несколько секунд работы. Если температура и давление выйдут за расчетные рамки, плазма просто коснется холодных стенок камеры, мгновенно остынет, и реакция полностью прекратится сама собой за доли секунды.

Тем не менее для энергетической компании, эксплуатирующей электростанцию, такая внезапная остановка и регулярные тепловые удары по внутренним стенкам камеры недопустимы. Реактор должен работать ровно и выдавать предсказуемую мощность в течение многих месяцев.

Новая модель показала, что четырьмя рассмотренными факторами потерь можно пользоваться как естественным ограничителем мощности. Поскольку потери на синхротронное излучение и теплопроводность растут быстрее, чем выработка энергии при повышении температуры, в определенный момент наступает автоматическое равновесие. Любая попытка плазмы разогреться выше рабочей отметки тут же гасится возросшим оттоком тепла. В результате горящая плазма самостоятельно удерживается на стабильном температурном уровне и не требует ежесекундного вмешательства сложных компьютерных систем управления.

Инженерные способы защиты от примесей и снижения порога запуска

Чтобы обойти проблему вольфрамового загрязнения и облегчить прохождение оптимальной точки Корди, физики из Принстона включили в свои расчеты две перспективные технологии, которые сейчас активно разрабатываются в лабораториях:

1. Защита стенок жидким литием. Вместо того чтобы оставлять твердые вольфрамовые плиты открытыми для ударов частиц, внутреннюю поверхность камеры можно покрыть тонким слоем непрерывно текущего жидкого лития. Во-первых, эта жидкая пленка принимает удар на себя и не дает атомам тяжелого вольфрама попадать в рабочую зону. Во-вторых, сам литий — очень легкий металл, в его ядре всего 3 протона. Даже если атомы лития испарятся с поверхности и попадут в центр плазмы, при высоких температурах они мгновенно потеряют все три своих электрона и не будут вызывать тех разрушительных потерь на рентгеновское излучение, которые вызывает вольфрам. Кроме того, жидкий литий хорошо поглощает вылетающие из плазмы частицы, снижая общие теплопотери на краях камеры.
2. Предварительная настройка атомных ядер топлива. У каждого атомного ядра есть собственное магнитное свойство и направление вращения, которое в физике называют спином. В обычном газе эти направления распределены хаотично: ядра повернуты в разные стороны. Однако перед подачей дейтерия и трития в камеру реактора топливо можно обработать специальными магнитными полями и лазерным излучением так, чтобы все ядра выстроились в одном направлении. Расчеты и эксперименты показывают, что ядра с одинаково направленными спинами сливаются при столкновении значительно чаще. Использование такого подготовленного топлива напрямую увеличивает выработку термоядерной энергии при тех же температурах и компенсирует потери от накопившегося гелия.

Переход от математической теории к компьютерным испытаниям

Предложенный принстонскими физиками метод — сначала разогревать разреженный газ и лишь затем повышать его плотность — пока остается строго теоретическим расчетом. Проверить его на практике прямо сейчас невозможно по технической причине: ни одна из существующих в мире экспериментальных термоядерных установок еще не способна разогреть и удерживать плазму в тех режимах, которые соответствуют параметрам точки Корди.

Поэтому следующим шагом исследователей станет детальное компьютерное моделирование. Физики планируют заложить свою расширенную математическую модель в программы на суперкомпьютерах, которые рассчитывают поведение плазмы во времени. Такие цифровые испытания покажут, как именно нужно управлять системами подачи газа и антеннами нагрева по долям секунды, чтобы провести плазму по оптимальному маршруту без потери устойчивости.

Главное практическое значение этой работы заключается в экономии средств и времени при создании будущих электростанций. Строительство каждого нового термоядерного реактора обходится в миллиарды долларов и занимает десятилетия. Обновленный критерий Лоусона, учитывающий реальные трехмерные ограничения, примеси вольфрама и правильную последовательность нагрева, позволит инженерам отсеивать неработоспособные конструкции еще на стадии чертежей и проектировать более компактные и экономичные энергетические установки.

Источник: Physical Review Letters