В данной статье представлены некоторые концепции, лежащие в основе небольшого термоядерного реактора под названием Orbitron, который был предложен компанией Avalanche Energy.
Ядерный синтез был впервые продемонстрирован почти 90 лет назад. Несмотря на то, что огромные исследования и разработки были направлены на его потенциальное использование для выработки энергии, лишь недавно несколько компаний объявили о планах создания термоядерных реакторов меньшего размера, которые обладают преимуществами более дешевых и быстрых циклов разработки. В этой статье мы представляем некоторые концепции, лежащие в основе небольшого термоядерного реактора Orbitron, предложенного компанией Avalanche Energy.
Ядерный синтез
При ядерном расщеплении образуются радиоактивные отходы, требуются расщепляющиеся материалы, такие как уран, которые нелегко достать, и реакторы имеют небольшую, но ненулевую вероятность расплавления, способную привести к катастрофическим последствиям. Напротив, термоядерный синтез рассматривается как альтернативная экологически чистая технология производства энергии, которая не приводит к образованию радиоактивных отходов и требует более простых исходных материалов.
Наше Солнце использует свою огромную гравитацию для создания высокого давления и температуры и заставляет ядра водорода (протоны) сталкиваться, в конечном итоге образуя гелий и высвобождая энергию из небольшого количества массы, потерянной во время реакций. На Земле для преодоления силы взаимного отталкивания ионов водорода и поддержания высокоскоростных столкновений требуется удержание плазмы.
Распространенным способом достижения этой цели является использование мощных магнитных полей в реакторе в форме бублика, называемом токамак. Для запуска процесса необходимы высокие температуры. Активно исследуются и другие методы, такие как гелиевый метод с обращенным полем, позволяющий создавать две кольцеобразные плазмы, которые ускоряются навстречу друг другу, и инерционное удержание, при котором мощные лазерные импульсы нагревают гранулу термоядерного топлива. Все эти машины, как правило, очень большие, требуют больших капиталовложений для их изготовления и проведения исследований, а сложность их производства приводит к медленному циклу проектирования.
Orbitron
Компания Avalanche Energy, расположенная в Туквиле, штат Вашингтон, США, была основана Робином Лэнгтри и Брайаном Риорданом в 2018 году. Они познакомились, работая в Blue Origin, компании, занимающейся космическими технологиями. Ключевой урок, извлеченный из их опыта, заключался в том, что они столкнулись с экономическими реалиями внедрения технологии в массовое производство.
Машины меньшего размера могут иметь гораздо более простые цепочки поставок, им требуется меньше средств для создания прототипов для тестирования, и, возможно, самое большое преимущество заключается в том, что итерации цикла проектирования могут выполняться в гораздо более короткие сроки. Модульность машины может обеспечить масштабируемость. Прототип термоядерного реактора от Avalanche Energy называется Orbitron. Он достаточно мал, чтобы поместиться на столе (то есть на главном реакторе, за исключением источников питания, насосов, охлаждения и т.д.).
Некоторые из его ключевых особенностей включают в себя:
- Катод представляет собой стержень, который проходит вдоль оси, в то время как цилиндрический анод окружает его. Высокое отрицательное напряжение, подаваемое на катод относительно заземленного анода, создает электростатическое удержание ионов. Высокоскоростные ионы вращаются вокруг катода по эллиптическим орбитам. Заданное напряжение на катоде 100-300 кВ определяет скорость ионов.
- В камере установлен режим сверхвысокого вакуума (UHV) < 10-8 Торр. Это необходимо для увеличения продолжительности обращения ионов по орбите и увеличения вероятности термоядерных столкновений.
- Чтобы увеличить плотность ионов, необходимо преодолеть взаимное отталкивание положительно заряженных ионов. В Orbitron это достигается путем создания магнитной емкости с помощью размещения постоянных магнитов, как показано на рис. 1. Электроны удерживаются слабым магнитным полем ExB и вращаются в том же направлении, что и ионы. Это позволяет преодолеть ограничения по объемному заряду, с которыми в противном случае столкнулись бы ионы, и помогает увеличить плотность ионов.
- Инжекторы термоядерного топлива, не показанные на рис. 1, ионизируют поступающие атомы дейтерия и трития и разгоняют их со значительной азимутальной энергией в виде пучка, направленного в термоядерную зону.
Испытания с дейтерием успешно продемонстрировали генерацию нейтронов. Недавно компания Avalanche Energy объявила, что они смогли поддерживать напряжение в 300 кВ на своем реакторе в течение нескольких часов. Это соответствует 6 МВ/м, что является важной вехой, которая считается одним из ключевых факторов дальнейшего прогресса. В то время как термоядерная энергия является конечной целью, нейтроны представляют собой краткосрочный источник дохода. При более высоких плотностях напряжения может генерироваться большое количество нейтронов, и они находят применение при создании радиоизотопов, неразрушающем контроле таких объектов, как лопатки турбин и топливные баки, а также в качестве средства для испытаний термоядерного синтеза. Как только будет достигнута самоподдерживающаяся термоядерная реакция, ожидается, что отдельные блоки Orbitron будут обеспечивать выходную мощность в диапазоне от 1 до 100 кВт. Их совокупность может быть использована для производства электроэнергии мощностью в МВт.
Ключевое применение, где такая мощность была бы полезна, - это в агрессивных средах, где нет доступа к энергосети. Примерами могут служить подводные аппараты и корабли-роботы, изолированные регионы Земли, такие как Арктика, и космические аппараты.
