Освоение Fusion — это уже? Святой Грааль за углом

Если верить отчетам исследовательских центров, освоение термоядерного синтеза, похоже, уже наступило. Проблема в том, что мы слышали это много раз за последние несколько десятилетий, и мы все еще с нетерпением ждем термоядерной энергии. Может в этот раз есть чем заняться…

В последние месяцы в мире контролируемых ядерных работ произошло несколько событий, которые дают ученым и всем нам новую надежду на достижение Святого Грааля энергии.

Первым хорошим знаком являются выводы Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE). Он использовал радиоволны с большим успехом в значительной степени. уменьшить так называемый нарушение плазмы, что может иметь решающее значение в процессе успеха термоядерных реакций.

Та же исследовательская группа в марте этого года сообщила об эксперименте Lithium Tokamak, в котором внутренние стенки тестера были покрыты литием, материалом, хорошо известным по батареям, широко используемым в электронике. Ученые отметили, что литиевая обшивка поглощает дисперсные частицы плазмы, не давая им отражаться обратно в сторону плазменного облака и мешая реакциям синтеза.

Также был опубликован отчет группы ученых из Национальной академии наук США для Министерства энергетики, в котором сделан вывод о том, что инвестирование 200 миллионов долларов в год в термоядерную технологию в течение следующих нескольких десятилетий может позволить строительство экономически выгодного реактора. Этот график включает, в частности, демонстрация к середине 2020 года получения энергии от синтеза (то есть реакции, которая производит больше энергии, чем потребляет) и строительство концептуального реактора к 2030 году.

Termojądrowe стартапы

Так что ученые из крупных уважаемых научных учреждений — осторожные оптимисты. В последнее время также наблюдается огромный рост интереса к технике управляемого синтеза в частный сектор. В прошлом году Lockheed Martin обнародовала план развития на ближайшее десятилетие. прототип компактного термоядерного реактора (СФР).

Если технология, над которой работает компания, будет работать, устройство размером с грузовик сможет поставлять достаточно электроэнергии, чтобы удовлетворить потребности устройства площадью 100 XNUMX квадратных футов. жители города.

В соревновании за то, кто построит первый реальный реактор синтеза, участвуют другие компании и исследовательские центры, в том числе TAE Technologies и Массачусетский технологический институт. Даже Джефф Безос из Amazon и Билл Гейтс из Microsoft недавно стали участвовать в термоядерных проектах. NBC News недавно насчитала семнадцать небольших компаний, занимающихся исключительно термоядерным синтезом в США. Такие стартапы, как General Fusion или Commonwealth Fusion Systems, сосредоточены на реакторах меньшего размера на основе инновационных сверхпроводников.

Все еще не мертв концепция «холодного синтеза» и альтернативные решения для крупных реакторов. Идет поиск другого подхода. Примером этого является устройство под названием Z-пинч (1), построенный, среди прочего, учеными из Вашингтонского университета и описана в одном из последних номеров журнала «Physics World». Она работает так же, как и любая другая реакция синтеза, но выполняется на лабораторном столе, а не в гигантской электромагнитной установке.

Z-пинч работает, захватывая и сжимая плазму в мощном магнитном поле. В эксперименте удалось стабилизировать плазму на 16 микросекунд, а реакция синтеза шла примерно треть этого времени. Эксперименты с этим устройством должны показать, что маломасштабный синтез возможен, хотя у многих ученых есть серьезные сомнения по этому поводу.

Солнце в токамаке

Реакция синтеза, на которой основано «действие» Солнца, представляет собой явление, при котором два более легких ядра сливаются в одно более тяжелое. В результате синтеза рядом с новыми атомными ядрами могут образовываться свободные нейтроны, протоны, элементарные частицы и альфа-частицы (2). Тем не менее, процесс теряет часть массы и высвобождает большое количество энергии, согласно уравнению Эйнштейна E = mc².

2. Реакция синтеза изотопов водорода

Небольшое количество потерянной массы (m), умноженное на квадрат скорости света (c²), приводит к очень высокому значению энергии, генерируемой реакцией синтеза (E). Энергоэффективность Реакция синтеза превосходит любой известный нам источник энергии. Недаром освоение его хода представляет такую ​​заманчивую перспективу.

Ученые считают, что лучший способ удержать сотни миллионов градусов плазмы в одном месте — это магнитное поле. На этой идее основаны разработанные в СССР токамаки (3), в котором плазменное облако должно сохранять тороидальную форму.

Самый известный существующий токамак-реактор — Международный термоядерный экспериментальный реактор. ИТЭР, построенный в Кадараше, Франция. В этом миллиардном проекте участвуют 35 стран мира, в том числе, помимо Евросоюза, США, Россия, Китай, Индия, Япония и Южная Корея. По предположениям, эффективность устройства ожидается к 2050 году.

Китайский экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак также связан с проектом ИТЭР. ВОСТОК, работающая уже несколько лет в местной провинции Аньхой. регулярно сообщают о новых прорывах в своих исследованиях. В 2017 году EAST стал первой в мире установкой такого рода, которая поддерживала условия, необходимые для ядерного синтеза, более 100 секунд, а в ноябре прошлого года достигла температуры 100 миллионов градусов Цельсия — в шесть раз больше температуры активной зоны. !

Об этом заявил заместитель руководителя проекта EAST Сун Юньтао.

Искусственный интеллект следит за плазмой

В настоящее время методы искусственного интеллекта и машинного обучения проникают во многие области науки и техники. То же самое и в области исследования освоения реакции синтеза.

Исследователи работают над использованием глубокого обучения для прогнозирования возмущений плазмы в токамаках. Используемая система, среди прочего в вышеупомянутом PPPL он имел доступ к огромным базам данных из Национального центра термоядерного синтеза DIII-D в Калифорнии и Объединенного европейского тора (JET) в Великобритании, крупнейшей лаборатории в мире на данный момент, управляемой EUROfusion, европейским консорциумом. для.

Огромные базы данных, полученные в результате многочисленных экспериментов, позволили PPPL надежно предсказать сбои в работе токамаков. Используемое там программное обеспечение способно прогнозировать реальные возмущения плазмы до 30 миллисекунд, и именно такая скорость реагирования потребуется в ИТЭР при снижении количества ложных срабатываний. Система приближается к 95% правильности, требуемой ИТЭР. Прогнозирование «живых» возмущений плазмы является первым шагом. Далее будет шумоизоляция и предотвращение дестабилизации плазмы. Управление плазмой осуществляется точно контролируемым термоядерным синтезом.

Трудно, конечно, не вспомнить, что обещание неисчерпаемого подхода, основанного на термоядерном синтезе, всегда было «всего в десятилетии или двух». Однако нельзя перебарщивать со скептицизмом, чтобы не упустить момент, когда эпохальный прорыв действительно состоится.