Лазер и магниты усилили «Давида управляемого термояда

В управляемом термоядерном синтезе в настоящее время есть два истинных Голиафа — это основанный на магнитном удержании плазмы в токамаке проект ITER стоимостью 20 млрд долларов и проект NIF стоимостью 3,5 млрд долларов, основанный на лазерном инерциальном удержании. Оба проекта, как известно, испытывают проблемы с финансированием, хотя и демонстрируют в последнее время относительные успехи: на стройплощадке ITER начали заливать фундамент, а NIF наконец-то достиг порога breakeven. Однако, как это иногда бывает, настоящий прогресс может быть достигнут по совершенно другому пути. Речь о нашумевшем в 2012 году эксперименте MagLIF. Свежие данные указывают на то, что этот Давид (а стоимость проекта «всего» 5 млн долларов в год) вполне способен побороть если не обоих, то по крайней мере одного из гигантов.

Вот так выглядит Z-машина, на которой реализуется MagLIF, сверху
Вот так выглядит Z-машина, на которой реализуется MagLIF, сверху

Напомню вкратце, в чём суть. Для того, чтобы зажечь термояд, нужно создать горячую дейтерий-тритиевую плазму и научиться её достаточно долго удерживать. При этом в целом существует два подхода:

  • магнитное удержание, при котором создаваемая плазма имеет относительно небольшую плотность и должна удерживаться, как минимум, несколько минут
  • инерциальное удержание, при котором плазма удерживается относительно недолго — доли секунды, но зато при очень высокой плотности (в сотни раз больше плотности обычных твёрдых тел)

Наилучших результатов пока что удалось достичь методом магнитного удержания. Инерциальный метод только недавно преодолел рубеж научного breakeven, при котором выход термоядерной энергии превысил уровень затраченной энергии без учёта всевозможных потерь. При этом сжатие мишени производилось за счёт абляции внешних слоёв сферической мишени в результате её облучения рентгеном, полученным конвертацией из лазерного излучения, — это так называемой метод лазерного термояда.

Схема мишени NIF. Синий --- лазерное излучение; ярко-жёлтый --- источники рентгена; тёмно-жёлтый цилиндр --- золотой хольраум, на внутренних стенках которого и происходит конвертация лазерного излучения в рентгеновское; белая сфера --- собственно, мишень с термоядерным топливом.
Схема мишени NIF. Синий — лазерное излучение; ярко-жёлтый — источники рентгена; тёмно-жёлтый цилиндр — золотой хольраум, на внутренних стенках которого и происходит конвертация лазерного излучения в рентгеновское; белая сфера — собственно, мишень с термоядерным топливом.

MagLIF (Magnetized Liner Inertial Fusion) также основан на инерциальном удержании, но для сжатия и нагрева мишени используется не лазер, а электрический ток. В Национальных лабораториях Сандии в США создана система, именуемая Z-машина. В её сердце располагается тонкий металлический цилиндр, по которому пропускают импульс тока силой в десятки мегаампер и длительностью 100 наносекунд. При протекании тока в цилиндре возникают магнитные поля, стягивающие образующуюся в результате омического нагрева плазму в тонкий шнур — Z-пинч. В результате образуется плотная и очень горячая плазма, в которой могут протекать термоядерные реакции синтеза.

Этот мужик ([Дэниэл Синарс](http://www.linkedin.com/pub/daniel-sinars/a/208/a5b), если кому интересно) держит в руках как раз один из цилиндриков, через который будут пропускать десятки мегаампер
Этот мужик (Дэниэл Синарс, если кому интересно) держит в руках как раз один из цилиндриков, через который будут пропускать десятки мегаампер

Последние исследования показали, что систему можно значительно улучшить, добавив ещё два компонента: продольное магнитное поле, роль которого заключается в стабилизации плазменного жгута и уменьшении теплоотвода, и лазерное излучение, нагревающее плазму перед сжатием, что увеличивает её проводимость и, следовательно, усиливает сжимающее магнитное поле. С этими нововведениями удалось достичь выхода 1010 нейтронов для чисто дейтериевой мишени.

Схематическое изображение реализованных улучшений
Схематическое изображение реализованных улучшений

В ближайшие годы планируется поднять силу тока до 27 МА, а генерируемое поле — до 30 Тл. Этого должно хватить, чтобы дейтерий-тритиевая смесь дала выход в 1016 нейтронов. Соответствующие эксперименты запланированы на 2015 год. Если эксперимент удастся, то будут просить денег на апгрейд Z-машины до тока 60 МА, что должно хватить для положительного выхода энергии.


Эта статья изначально была опубликована в моём блоге в ЖЖ.

comments powered by Disqus