Симуляция высветила новый путь кядерному синтезу
Физики из национальной лаборатории Сандия узнали, что определённая разновидность совокупности для управляемого синтеза может обеспечить тысячекратное превышение энергетического выхода над затратами электричества, нужного для розжига ядерной реакции.
Изученный, пока только в теории, способ получения энергии именуется «намагниченный инерциальный синтез» (magnetized inertial fusion — MIF). Кратко он трудится так.
Сперва готовят маленькую топливную капсулу цилиндрической формы. С внутренней стороны данной оболочки размещают замороженные тритий и дейтерий, а в центре – те же изотопы, но газообразные.
Капсулу помещают в сердцевину автомобили. В том месте, чуть ниже и выше капсулы, расположены две электромагнитные катушки. При запуске аппарата сперва относительно маломощный лазер подогревает топливный заряд.
Потом через катушки пропускается ток, что создаёт вертикальное магнитное поле, проникающее в оболочку топливного заряда.
В следующее мгновение уже сама оболочка генерирует весьма сильный импульс магнитного поля за счёт прохождения через неё очень громадного тока (в десятки мегаампер).
Это второе поле и породивший его ток создают сходу два ответственных результата. Они заставляют оболочку капсулы сжаться многократно. И они же сжимают и концентрируют силовые линии от первого поля.
MagLIF — прототип совокупности, окружающей «ядерную» мишень. Прекрасно видны верхняя и нижняя магнитные катушки (фото Derek Lamppa/ Sandia National Laboratories).
Суммарный эффект ведет к тому, что оболочка преобразовывается в плазму, а в газообразной смеси дейтерия и трития запускается реакция синтеза. Наряду с этим начинается столь высокая температура, что синтез уже начинает идти и в ранее замороженном ядерном горючем.
Сжатое магнитное поле играет роль занавеса, хотя бы на мгновения, но удерживающего стремительные альфа-частицы и электроны от уноса и разлёта энергии из территории реакции. Это повышает время существования плазмы так, что всё горючее успевает нормально отработать. А ведь обрисованные выше процессы очень быстротечны.
Все они должны проходить за десятки-сотни наносекунд.
Тут крайне важной была величина импульса тока, подаваемого на оболочку цели. Компьютерная симуляция распознала, что при 60 мегаамперах на протяжении термоядерной реакции освободится в 100 раза больше энергии, чем было затрачено на запуск установки.
А при 70 мегаамперах отдача будет уже в 1000 раза больше затрат. Это разрешает сохранять надежду на создание работоспособной совокупности, кроме того с учётом всяческих утрат при преобразовании энергии.
Для импульса тока авторы способа предлагают применять Z-машину, установленную по большей части комплекселаборатории Сандия в Альбукерке (на снимке под заголовком). Эта установка используется в целом последовательности опытов по действию больших температур, давлений и полей на разные материалы.
В частности, это та самая машина, которая обеспечила рекордное ускорение жёсткого тела в 10 миллиардов g и превращала бриллианты в жидкость.
Z-машина и её главные части: генераторы Маркса (красный цвет на схеме), они медлительно заряжаются от простой сети, а позже выдают импульс высокого напряжения и огромного тока, продолжающийся тысячные доли секунды; проводники тока (светло синий, светло синий, серый); мишень в вакуумной камере (стрелка в центре). Для электрической изоляции отдельные высоковольтные секции автомобили заполнены тоннами трансформаторного масла и деионизированной воды (иллюстрации Sandia National Laboratories).
В программе работ на Z-машине числятся и опыты, имеющие отношение к проблеме управляемого термоядерного синтеза. Лишь изучаемый до сих пор способ был мало другой.
Дело в том, что стремительное испарение особой (сделанной из узких струн) оболочки под действием большого тока рождает не только плазму, но и громадный рентгеновский импульс (до 290-350 тераватт в пике).
А таковой импульс может создать в жёсткой мишени огромные ударные волны, и тем самым стать причиной еЁ разогрев и мгновенное сжатие.
Такая решётка из узких (10 мкм) проводков проходит службу в опытах на Z-машине источником рекордного импульса рентгена. Именно она испаряется первой при прохождении мегаамперного тока.
В центре виден целевой контейнер с изучаемым примером материала, которым возможно и дейтерий-тритиевая смесь, и что-либо ещё (фотоRandy Montoya/ Sandia National Laboratories).
Фактически в некоторых опытах на Z-машине учёным уже получалось приобретать температуру в 3,7 миллиарда кельвинов. По идее, этого должно быть вполне достаточно для старта термоядерного синтеза, но время действия данной температуры было весьма маленьким.
Введение дополнительных катушек с полем, которое сожмётся в момент запуска автомобили и не разрешит плазме через чур скоро остыть, это как раз то, чего не хватало прошлой схеме.
По оценке физиков, MIF должен быть в 50 раз действеннее, чем инерциальный термоядерный синтез, опирающийся на рентгеновский импульс. (Подробности данной работы возможно отыскать в статье в Physical Review Letters.)
Один из авторов изучения Стив Слуц (Steve Slutz) говорит: «Люди не пологали, что намагниченный инерциальный синтез способен дать реакцию с высокой отдачей. Но численные расчёты говорят о том, что так оно и имеется. на данный момент мы должны взглянуть, разрешит ли нам природа осуществить это.
В принципе, мы не знаем, из-за чего это не сработало бы».
Тут остаются ещё вопросы. Многое будет зависеть от равномерности сжатия материала мишени. Каждые нестабильности в созданной плазме смогут погубить эффект.
Для прояснения аналогичных тонкостей нужен натурный опыт. И его американцы уже готовят. Сравнительно не так давно они совершили предварительные опробования тех самых магнитных катушек. С настоящего момента и до начала зимы разные узлы для будущей установки будут проходить тестирование.
А какой-то практический итог исследователи ожидают взять к концу 2013 года.
Действительно, ни о тысяче-, ни о стократном превышении термоядерного выхода над затратами речи не идёт. Так как нынешняя Z-машина способна выдавать импульс тока «всего» в 26 мегаампер. Но и при таком уровне возможно сохранять надежду хотя бы на паритет (равенство «выхода» и «входа») либо кроме того на маленькое превышение отдачи над затратами.
А позднее возможно попытаться нарастить параметры Z-машины либо выстроить более большой её вариант. В частности, эксперты лаборатории прорабатывают концепцию электростанции на инерциальном термоядерном синтезе, выстроенную около «откормленной» Z-машины, раза в три большей по размеру, чем нынешняя.
Такая установка обязана оперировать ультракороткими импульсами тока в 70 мегаампер при напряжении до 24 мегавольт. Взрывая с их помощью по одной капсуле каждые 10 секунд, она генерировала бы постоянную мощность в 300 милионов ватт.
Электростанция на базе увеличенной Z-машины. Синим цветом продемонстрированы генераторы импульса большого напряжения типа ЛТД (вместо генераторов Маркса на текущей версии), коричневым – радиальные линии, передающие данный импульс в центр, где комплект проводников (стрелка) подводит мегаамперный ток к дейтерий-тритиевой мишени.
Диаметр данной установки обязан составить 104 метра (иллюстрация Sandia National Laboratories).
И ещё увлекательный момент. Температура в 3,7 миллиарда кельвинов теоретически разрешает запускать и более экзотические процессы, в частности слияния ядер водорода с литием либо бором. Это безнейтронные реакции (aneutronic fusion), не дающие радиации, наведённой ядерных отходов и радиоактивности.
В случае если проверка принципа MIF на нынешней Z-машине пройдёт прекрасно, возможно будет сказать о рождении перспективной разработке, талантливой поставлять человечеству огромное количество чистой энергии.
