Помимо коллектива международного проекта ITER, задачу управляемого термоядерного синтеза пытаются решить отдельные компании и научные группы. Среди предлагаемых вариантов есть много откровенно фантастических, но встречаются и отдельные идеи, стоящие практической проверки. Одна из таких принадлежит секретному подразделению Lockheed Martin, которое приступило к созданию своей версии компактного термоядерного реактора – экспериментальной модели T4. По предварительной оценке специалистов легендарной лаборатории Skunk works, работа займёт менее десяти лет.

Термояд: употреблять горячим

Обещание создать перспективную схему выработки энергии до сих пор используется в мошеннических схемах по всему миру. Больше всех преуспели в этом Андреа Росси и другие сторонники “холодного” термоядерного синтеза, утверждающие о существовании возможности запуска реакции слияния ядер при комнатной температуре. Настоящими исследователями порой допускаются лишь небольшие преувеличения в попытках выбить деньги на продолжение работы.

В отличие от странного реактора Dynomak, чей автор из Вашингтонского университета решил не учитывать эйлеровскую характеристику магнитной поверхности и надеется на саморазгон плазмы во вторичном магнитном поле, проект T4 основан (по утверждению авторов) на реальных исследованиях, выполняемых в Lockheed Martin более полувека.

«Наша концепция компактного термоядерного реактора сочетает в себе несколько альтернативных подходов к созданию магнитной ловушки и обеспечивает уменьшение габаритов на 90% по сравнению с прежними вариантами, – сказал руководитель проекта Том МакГуайр (Thomas McGuire). – Меньшие габариты позволят нам создать и испытать прототип менее чем за десять лет».

Том МакГуайр рядом с прототипом реактора T4 (фото:  Eric Schulzinger  / Lockheed Martin).
Том МакГуайр рядом с прототипом реактора T4 (фото: Eric Schulzinger / Lockheed Martin).

Разумеется, гриф секретности после анонса не был снят: как и год назад, информация о проекте сообщается только в общих чертах и в том объёме, который необходим для привлечения финансирования. Нам остаётся догадываться по косвенным данным, установку какого типа пытаются создать на этот раз, и какие технические проблемы при этом придётся решить.

Подлинными романтиками всегда были физики. Они могут подарить настоящую звезду в миниатюре не только своим возлюбленным, но и всему миру. Первые попытки сделать это, правда, выходили не особо деликатными. Маленькие копии Солнца слишком быстро сгорали, сжигая всё вокруг на многие километры. Однако идея термоядерного синтеза, предложенная Ферми и Теллером, до сих пор считается ключевой не только в военной доктрине, но и для реорганизации энергетической отрасли.

Полвека назад супругами Бербидж, Фаулером и Хойлом было выполнено исследование, которое часто цитируют под названием «доказательство Б2ФХ». Их работа даёт представление о последовательности ядерных реакций в звёздах и приводит к интересному выводу: сами люди и большинство тел в Солнечной системе состоят из химических элементов, синтезированных в ходе термоядерных реакций, протекавших совсем в других уголках Вселенной. Они прилетели миллиарды лет назад как минимум из трёх разных звёздных систем, скопились в облаках газа и породили знакомый нам мир во всём его многообразии.

Термоядерный синтез элементов на  каждом этапе эволюции звезды (изображение: Bruce A. Averill).
Термоядерный синтез элементов на каждом этапе эволюции звезды (изображение: Bruce A. Averill).

С тех пор любая жизнь на Земле так или иначе зависит от природного термоядерного реактора – Солнца. Проблема в том, что его энергии людям давно не хватает для удовлетворения своих специфических потребностей. В попытках получить дополнительные джоули энергии и ватты мощности мы сжигали древесину, ископаемое топливо, преобразовывали в электрическую энергию движение воды и воздушных масс, постоянно изобретали новые способы её получения, но энергетический кризис становился лишь очевиднее с каждым годом.

С сороковых годов Станислав Улам и десятки других физиков начали развивать идею получения энергии за счёт реакции термоядерного синтеза. Сделать это в бомбе оказалось посильной задачей, а вот реализовать её как управляемый процесс, пригодный для коммерческого использования – пока нет. Основных проблемы здесь три: разработать малозатратную и безопасную схему запуска реакции; создать установку, в которой выбранная реакция будет поддерживаться длительно; реализовать метод эффективной утилизации выделяемой энергии и её преобразования в электрическую.

Радикальным решением было бы воссоздание существующих на Солнце условий в компактном объёме и возможность заставить такую установку генерировать нужное количество энергии, запасённой в любом веществе. Однако до сих пор экспериментальные реакторы быстро затухали, а на выходе давали примерно столько же энергии, сколько затратили сами.

Проектировании установки T4 в лаборатории Skunk works (фото: Lockheed Martin).
Проектировании установки T4 в лаборатории Skunk works (фото: Lockheed Martin).

Электроэнергию всегда было трудно получать в промышленных масштабах с высоким значением выхода. В большинстве схем присутствуют промежуточные этапы, сильно снижающие эффективность электростанций. Даже самая современная АЭС по своей сути – всего лишь паровая машина, использующая энергию деления ядер для нагрева воды.

По опубликованным данным складывается впечатление, что компактный реактор Lockheed Martin тоже будет вариантом паровой машины на ядерном топливе. Просто более перспективным и экономичным. Однако по мере сопоставления характеристик и известных процессов возникает всё больше вопросов.

1H, 2H, 3H – солнышко, гори!

В пресс-релизе сообщается, что в основе реактора будет лежать наиболее простая реакция – синтез гелия-4 из изотопов водорода: дейтерия (2H) и трития (3H). Именно её планируют использовать и в проекте ITER. Чтобы такая реакция началась, требуется создать три ключевых условия: высокую температуру, давление и поток нейтронов.

Реакция термоядерного синтеза гелия.
Реакция термоядерного синтеза гелия.

Нагрев свыше ста миллионов градусов необходим для преодоления ядрами сил отталкивания, а высокое давление повышает плотность смеси и увеличивает частоту эффективных столкновений разогнанных ядер. Чтобы разогреть и сжать водород, его переводят в полностью ионизированное состояние – плазму. Этот поток заряженных частиц удерживают и разгоняют в магнитных ловушках, различающихся по форме.

Наиболее популярны конструкции, обеспечивающие замкнутую магнитную поверхность. К ним относятся тороидальные камеры (токамаки) и стеллаторы. Токамак – самый изученный вариант, на базе которого создаётся проект ITER. Однако существуют и открытые (линейные, зеркальные) магнитные ловушки, называемые «пробкотронами». В них плазма отражается от «зеркал» – зон с повышенным магнитным полем на концах линейного ускорителя. Судя по представленным изображениям, реактор Lockheed Martin будет основан именно на такой модификации.

Принципиальная схема реактора Т4 (изображение: aviationweek.com).
Принципиальная схема реактора Т4 (изображение: aviationweek.com).

При сгорании топлива D-T помимо ядер гелия и выделяющейся энергии образуется мощный поток нейтронов. В обычных реакторах (основанных на распаде тяжёлых элементов) его улавливает комплекс защитных модулей – бланкет, и здесь открываются две возможности. Во-первых, систему охлаждения активной зоны можно использовать для утилизации выделяющейся тепловой энергии – генерировать пар, который вращает турбины, а затем конденсируется для повторного использования. Во-вторых, если бланкет изготовить из урана-238, то нейтронная бомбардировка постепенно превратит его в плутоний, который можно затем расщеплять на месте или использовать в других реакторах.

В термоядерном реакторе любой гипотетической конструкции нейтронное излучение до сих пор считалось крайне нежелательным побочным продуктом. Для снижения его воздействия проектом ITER предусмотрено бетонное «одеяло» двухметровой толщины. Судя по приблизительным габаритам (2×3 метра), реактор Lockheed Martin не сможет гасить нейтронное излучение подобным образом. Видимо, специалисты Skunk works планируют испытать какую-то иную схему преобразования, в которой энергия нейтронов будет использоваться более эффективно.