К термоядерной энергетике

Управление термоядерным синтезом остается одной из наиболее острых задач современной энергетики и физики плазмы. Десятилетия экспериментов в разных странах на разных установках показали, что обеспечение стабильного, безопасного, технически значимого контроля за высокотемпературными реакциями, позволяющими производить в промышленных масштабах энергию, аналогичную процессам внутри Солнца, требует переосмысления и разработки новых технологий и подходов. Существующие устройства, такие как токамаки, торсатроны, стеллаторы и другие, столкнулись с рядом конструктивных, технических и безопасностных ограничений, связанных с тепловыми нагрузками, проблемами удержания плазмы, рисками неконтролируемого хода реакций. Все существующие установки, как магнито управляемые, так и инерциально управляемые, за много десятилетий их разработки и эксплуатации так и не вышли ни за демонстрационный уровень, ни за уровень «перевала» - равенства тепловых потерь горячей зоны реактора и энергетического выхода собственно реакции термоядерного синтеза. Критерию Лоусона, положительному тепловому балансу, ни одна из существующих и даже строящихся установок не отвечают.

Практически не обсуждается, но лично для меня существенно значимым фактором является то, что все существующие и строящиеся термоядерные реакторы являются импульсными. Хотя общепринята классификация реакторов на импульсные и квазистационарные, но во всех существующих устройствах (возможная) реакция термоядерного синтеза происходит и будет происходить в импульсном режиме. Это все устройства именно термоядерного взрыва, а не горения. «Управляемость» термоядерных реакций в них сводится к подбору не разрушающих установку объемов конкретного топлива, давлений и температур. И только. В этих устройствах принципиально отсутствуют какие-либо быстродействующие процессы ограничения разгона реакции. Более того, такого рода машины являются устройствами с положительной обратной связью. Положительная обратная связь в них используется для саморазогрева плазмы. Для демонстрационных устройств, где внешняя энергетическая накачка существенно превышает внутреннюю отдачу, это все не критично. Но у возможных промышленных установок, когда генерируемая энергия неизбежно станет довлеющей, такой конструктивный подход предопределит будущие катастрофы.

Данная статья посвящена предложению и обоснованию перспективной установки непрерывного термоядерного синтеза, основанной на использовании ускорителей частиц, что позволяет локализовать и контролировать процесс реакции, избегая рисков, связанных с автоматическим зажиганием и «саморазгоном» реакций. Такой подход позволяет обеспечить дополнительную безопасность, быстроту и гибкость управления, что является важным шагом на пути к практическому внедрению термоядерной энергетики.
Следует отметить, что в научных кругах (в тусовках, в личном порядке и прочее) при упоминании ускорителей общепринято прекращать дальнейшее чтения. Основание фундаментальное:

- Нельзя ускорителем облучать мишени, поскольку сечение термоядерной реакции масштаба размера атомного ядра, а сечение ионизации атома масштаба размера электронной оболочки.

То есть, акцент делается на масштабную несоизмеримость. Таким оппонентам хочется напомнить старую школьную истину — у всех, без исключения изотопов атома водорода электронная оболочка состоит из единственного электрона. Что у протия, что у дейтерия, что у трития. В данном случае аргумент не работает.

Другим фундаментальным возражением является критерий Лоусона, который позволяет оценить баланс тепла в плазме во время реакции. Если количество энергии, выделившейся в результате термоядерной реакции, превысит количество затраченной энергии на её поджиг и удержание - баланс тепла будет положительным. Другими словами, чтобы, к примеру, ядра дейтерия и трития прореагировали, нужно удерживать их с энергией Т>10 кэВ и с некоторой объемной плотностью nτ>5*1014 см-3с.
Это важное условие в данном случае решается:
- фокусировкой потоков дейтерия и трития, что на порядки повышает их плотность непосредственно в зоне реакции.
- непрерывным режимом работы ускорителей, что делает время реакции равным времени работы установки.

По состоянию на сегодня самыми распространенными машинами с реакциями термоядерного синтеза являются токамаки и стеллаторы. Эти машины предназначены для достижения условий в плазме, при которых происходит термоядерная реакция - высокой температуры и давления в плазме. В токамаках используют сильные магнитные поля для удержания плазмы внутри замкнутых магнитных контуров. Стеллаторы, в свою очередь, отличаются более сложной геометрией, обеспечивающей более стабильное удержание плазмы и меньшие тепловые потоки к стенкам устройства.

Несмотря на значительные достижения, эти технологии сталкиваются с рядом технических ограничений:

• Ограниченная устойчивость плазмы, приводящая к вынужденному сбросу реакционной среды, зачастую еще до возникновения реакции термоядерного синтеза.
• Высокие тепловые нагрузки на стенки и магниты.
• Наведённая радиоактивность в материалах установки, как естественная, за счет радиоактивности применяемого топлива, так и в результате облучения при реакциях.
• Радиоактивная пыль, образующаяся в результате воздействия плазмы на стенки реакторов.
• Радиоактивные продукты, которые могут образовываться в системе охлаждения, например, при коррозии.
• Трудности стабильного удержания плазмы на сколько-нибудь длительных временах.Другой используемый подход связан с инерционным удержанием, где короткие мощные импульсы лазеров или других энергоносителей (пучки высокоэнергичных электронов или ионов) сжимают и нагревают малые объемы топлива до условий реакции. В таких системах преимущество заключается в достижении высокой плотности энергии в течении короткого промежутка времени. В том числе за счет взрывного сжатия. Однако они требуют сложных систем наведения с очень точным управлением импульсами, что создает сложности при масштабировании. О достижении полного энергетического баланса сообщений не было.
  Как любые взрывные установки инерционные системы характеризуются крайней опасностью не демонстрационной эксплуатации.

Таким образом, на сегодняшний день технологический репертуар для управления термоядерными реакциями включает множество подходов, но все они сталкиваются с существенными сложностями, связанными с безопасностью и контролем. Это подчеркивает необходимость поиска новых концепций, позволяющих более эффективно и безопасно управлять реакциями в условиях, исключающих возможность неконтролируемого роста и аварийных ситуаций.

Одной из ключевых проблем при реализации термоядерных взрывных реакций является существенно значимая вероятность неконтролируемого их развития, приводящего к аварийным ситуациям, разрушениям и опасным выбросам. Особенно остро стоит вопрос, связанный с взрывными реакциями с положительной обратной связью больших установок, которые могут приводить к быстрым неконтролируемым процессам, росту температуры, давления и объема реакции.

В системах, основанных на традиционном управлении реактивностью, всегда присутствует риск возникновения «саморазгона». При этом все существующие контрольные системы принципиально не могут справиться с «зажиганием» термоядерного взрыва. И если происходит какое-либо заранее не предусмотренное локальное нарушение условий, реакция может выйти из-под контроля, что часто ассоциируется с опасностью взрыва или разрушения оборудования. Особенно это актуально в случае процессов, сопровождающихся процессами неконтролируемого термоядерного «самовозгорания».

Хотя традиционные системы управления используют отрицательную обратную связь для стабилизации реакции, такой подход имеет существенные ограничения:

• Медленная реакция: Время отклика любой системы управления в установках с термоядерным взрывом заведомо недостаточно короткое, чтобы предотвратить не прогнозируемое изменение реакции.
• Автоматическая зажигаемость: В случае возникновения непредусмотренных условий возможно быстрое и не контролируемое зажигание термоядерной реакции, что, в свою очередь, грозит возникновением аварийных ситуаций.

Фундаментально вопрос в том, что имеющиеся устройства термоядерного синтеза принципиально ничем не отличаются от термоядерной бомбы. Те же реакции синтеза и, что самое опасное, то же устройство и тот же принцип действия. В обоих случаях исходное топливо нагревается до температуры начала собственно термоядерной реакции. А далее происходит то, что традиционно называется «зажигание», когда альфа-частицы, появляющиеся в результате отдельных актов реакции, не успев разлететься, сталкиваются с окружающими их ядрами топлива, передавая им часть своей энергии и вызывая дополнительный саморазогрев топлива. Тем самым реакция синтеза сама себя экспоненциально разгоняет. Во всех случаях это занимает миллионные доли секунды и принципиально не существует устройств, способных за это время отреагировать на столь фундаментальное изменение условий реакции. Конечно, процесс зажигания в демонстрационных устройствах только приветствуется, поскольку способен вызвать и поддерживать цепную реакцию без какого-либо дополнительного внешнего нагрева. Общего взрыва на макетах он вызвать не может, поскольку в энергетическом балансе довлеет внешняя накачка и зажигание его сильно не меняет. Но неизбежный переход к промышленным установкам, где положительный выход энергии является обязательным условием, удержать зажигание на не взрывном уровне невозможно в силу отсутствия механизмов для этого.

Эти ограничения особенно важны при масштабируемых промышленных установках, где безопасность должна быть гарантирована на всех этапах эксплуатации.

В связи с вышесказанным, возникает необходимость разработки новых концепций системы, способных обеспечить не только стабилизацию процесса, но и исключить возможность неконтролируемого роста реакции. В частности, требуется создание таких систем, которые:

• Предотвращают автоматическое зажигание реакции.
• Обеспечивают возможность как локального запуска, так и отключения реакции.
• Позволяют управлять реакцией через внешние воздействие и разделение элементов системы.

Посредством использования ускорительной техники и элементов, разделяющих поток топлива и реакции, можно существенно повысить уровень безопасности и гибкости управления, предотвращая риски аварий.

Для повышения безопасности и управляемости процессов термоядерного синтеза предлагается концепция установки, основанной на использовании ускорителей частиц. Такой подход подразумевает локальный запуск реакции посредством точечного взаимодействия двух встречно направленных потоков компонентов топлива (на начальном этапе экспериментов - дейтерия и трития), а также их последующее разделение, что исключает неконтролируемое автоматическое зажигание реакции всего топливного объема и обеспечивает автоматический повышенный контроль.

Основные идеи

• Локальный запуск реакции: инициирование термоядерной реакции с помощью двух встречных пересекающихся плазменных потоков, направленных из внешних ускорителей, что позволяет управлять точкой реакции и развитием процессов в ней.
• Разделение и возврат топлива: после реакции части топлива (дейтерий и тритий) разделяются, и остатки вновь возвращаются к источникам, завершая цикл.
• Использование магнитных или электростатических систем: удержания и направления потока топлива, предотвращая его автоматическое самовозгорание.

Общая схема установки

1. Линейные ускорители (1 и 6) — создают предварительные высокоэнергетические пучки дейтерия и трития, соответственно, которые направляются в зону смешивания с не прореагировавшим топливом. Задача ускорителя (1) — разгонять дейтерий до энергий, статистически эквивалентным энергиям не сгоревших остатков дейтерия, возвращаемых из реакторной зоны циклотроном (5). Подразумевается работа в непрерывном режиме. Если циклотрон (5) работает в импульсном режиме, то, помимо равенства энергий, потребуется и фазовое совпадение. Это касается обоих топливных линий.Задача ускорителя (6) трития — разгонять ядра трития до энергий, статистически равным энергиям не сгоревших остатков трития, возвращаемых из реакторной зоны циклотроном (9).

2. Линейные ускорители (2 и7) — осуществляю окончательный разгон топлива и его фокусировку в тонкий пучок. В ускорителе (2) смесь нового и не сгоревшего дейтерия сжимается, дополнительно разгоняется и фокусируется до энергий и плотности, гарантирующий ощутимую вероятность взаимодействия ядер дейтерия с наклонно-встречным потоком ядер трития в реакторной зоне, обозначенной как (4).

3. Реакторная камера (4) — место столкновения, где осуществляется реакция синтеза. В этой зоне (4) высокоэнергичные и уплотненные пучки ядер дейтерия и трития встречно пересекаются, что и приводит к реакции синтеза.

4. Зоны улавливания, сжатия и дожигания (3 и 8) — осуществляют забор продуктов реакции вместе с не прореагировавшим топливом, его продольную компактификацию обжатием магнитным полем и предотвращение автоматического разгона.

5. В зонах (5 и 9) происходит разделение продуктов реакции на не прореагировавшее топливо и продукты реакции. Задача циклотронов (5 и 9) — возврат не прореагировавшего топлива для повторного использования.

6. Поглотители (12 и 10) предназначены для поглощения продуктов реакции - «термоядерной золы».

7. За счет наведенной нейтронной радиоактивности часть дейтерия становится тритием, который по циклотрону (11) возвращается в линейный ускоритель (7) для повторного использования.

Работа системы

• После запуска реакция локализована в определенной области (4), что исключает неконтролируемый рост температуры. В данной системе имеется всего одна область термоядерного синтеза, к которой исходно не предъявляется каких-то особых, специфических требований. В общем случае реакция идет непрерывно, пока установка работает в рабочем режиме. Поскольку режим зажигания вне области реакции (4) в данной установке маловероятен, то рабочий режим изначально оптимизируется на максимум выхода энергии. Поэтому любое изменение рабочего режима приводит к угасанию и даже прекращению реакции синтеза. Другими словами, данная установки обладает повышенной степенью безопасности по сравнению со всеми прочими как устройство, работающее в режиме отрицательной обратной связи по энергии.
• Параллельно осуществляется контроль за уровнем энергии и расходом топлива.
• В случае возникновения опасных условий реакцию можно легко управляемо отключить путем прекращения подачи ускоренных пучков. Обоих и даже любого из них. Реакция сама прекращается при любом отклонении от оптимального режима.
• Вся система обеспечивает возможность внешнего управления и быстрого реагирования, не полагаясь на автоматические системы с положительной обратной связью.

Технические компоненты и особенности

• Дейтерий и тритий в виде управляемых пучков линейных ускорителей.
• Магнитные ловушки для направленного удержания топлива и его разделения с продуктами реакции.
• Детекторы и системы контроля, обеспечивающие мониторинг состояния реакции.
• Модули переключения и возврата топлива — обеспечивает цикл повторного использования и минимизацию отходов.

Этот подход существенно отличается от существующих схем за счет исключения автоматического самовозгорания и повышения возможностей управляемых запусков реакции, а также предоставляет удобные инструменты для масштабирования и обеспечения безопасности.

Разработанная концепция основана на использовании ускорителей для запуска и управления термоядерными реакциями, что обеспечивает ряд значительных преимуществ по сравнению с существующими технологиями.

Основные преимущества

1. Повышенная безопасность
   Отказ от автоматического зажигания и положительной обратной связи исключает риск неконтролируемого роста реакции.
   Возможность локального и внешнего контроля запуска и отключения реакций в любой момент.
2. Гибкость и управляемость
   Реакцию можно инициировать и прекратить по необходимости, регулируя параметры пучков ускорителей.
   Легкое переключение режимов работы, масштабирование и адаптация под различные условия.
   Достаточно простое регулирование мощности установки от оптимальной до минимальной в рамках уже готовой конструкции. В том числе с возможностью отключения и повторного включения.
   Возможность существенного упрощения конструкции установки при достижении 50% сгорания топлива. Систему можно минимизировать до двух сильноточных ускорителей с фокусировкой (соответственно — дейтерия и трития для первоначального варианта) и системой изъятия продуктов горения.
3. Минимизация рисков аварий
   Использование разделения топлива и возврата остаточного вещества в цикл уменьшают вероятность аварийных ситуаций.
   Быстрое реагирование на потенциальные опасности как за счет конструкции установки, так и за счет внешнего управления.
4. Улучшенные параметры контроля
   Возможность точечного локального запуска реакции, что повышает качество управления плазмой.
   Встроенные системы мониторинга позволяют оперативно получать параметры реакции и регулировать их.

Отличия от существующих решений

• Отсутствие автоматического зажигания и ограниченного управления реакцией.
• Использование ускорителей в качестве активных элементов запуска и стабилизации реакции (в отличие от магнитных или инерционных систем).
• Внедрение хорошо отработанных циклотронных систем и систем возврата топлива, что повышает эффективность и экологическую безопасность.
• Возможность быстрого отключения реакции в случае аварийных ситуаций.

Предложенная установка демонстрирует новую парадигму в управлении термоядерными процессами, ориентированную на безопасность, управляемость и масштабируемость, что кардинально отличает ее от традиционных методов.

Экономическая оценка и перспективы внедрения

Современные проекты по развитию ядерных и термоядерных технологий требуют учета множества факторов: стоимости оборудования, эксплуатационных расходов, потенциальной отдачи и рисков. В рамках предложенной концепции использования отработанной и хорошо себя зарекомендовавшей системы ускорителей для запуска и управления реакциями, ключевые параметры оценки выглядят следующим образом.

Основные экономические показатели

• Стоимость оборудования: использование современных ускорителей, магнитных систем и систем автоматического контроля требует значительных первоначальных капиталовложений, однако потенциальная экономическая эффективность достигается за счет высокой надежности и безопасности эксплуатации.
• Энергетическая эффективность: благодаря возможности локального запуска реакции и повторного использования остатков топлива, предполагается снижение потребления ресурсов; однако, необходимые затраты энергии на работу ускорителей должны быть оптимизированы.
• Текущие расходы: обслуживание систем, замена расходных материалов и системы автоматического контроля требуют регулярных инвестиций, что компенсируется высокой стабильностью и безопасностью работы.

Перспективы внедрения

• Масштабируемость: предлагаемая концепция может быть адаптирована для различных масштабных установок — от малых научных комплексов до промышленных энергоустановок. Вплоть до мобильных установок. Даже идея тягача с пробегом в много миллионов километров без заправок не выглядит утопической.
• Дорожная карта: первые этапы предполагают проведение лабораторных исследований и пилотных проектов, после чего возможна масштабная реализация при условии получения положительных результатов.
• Перспективные рынки: деятельность в области безопасных технологий энергетики, особенно в труднодоступных регионах, научных исследований, производства радионуклидов и других областях с высокими требованиями к управляемости реакциями.

Высокий уровень безопасности и управляемости способствует получению необходимых разрешений и лицензий, что ускорит внедрение и повысит общественное доверие к технологии.

Рассмотренная концепция установки на основе ускорителей представляет инновационный подход к управляемому термоядерному синтезу, исключая риски неконтролируемого зажигания реакции и повышая уровень безопасности и управляемости процесса.

Основные выводы

• Использование ускорителей позволяет локально инициировать реакции, предоставляя значительную гибкость и контроль.
• Разделение топлива и систему возврата уменьшают вероятность аварийных ситуаций и повышают эффективность использования ресурсов.
• Концепция демонстрирует потенциал масштабируемости и адаптации под различные отрасли и уровни исполнения.

Рекомендуемые мероприятия

1. Детальные инженерные проектные исследования для уточнения технических характеристик и разработка прототипов на основе уже имеющихся и эксплуатируемых элементов.
2. Экспериментальные испытания системы в лабораторных условиях для оценки реальных параметров и выявления возможных проблем.
3. Разработка модели экономической эффективности с учетом затрат на оборудование, эксплуатацию и потенциальную отдачу.
4. Планирование этапов внедрения с учетом необходимости получения регулятивных разрешений и сертификации.
5. Междисциплинарное сотрудничество, включая специалистов в области физики, инженерии, экологической безопасности и экономики, для комплексного развития данной технологии.