Ядерное топливо скоро станет нормой? "

Автор: Дугган Фланакин, RealClearEnergy

Мечта человечества подражать силам, создавшим их среду обитания, была жива. По крайней мере, еще в то время, когда люди с одним языком решили построить город с башней, которая достигла небес. Для таких людей «ничто из того, что они планируют, не будет для них невозможным», — говорится в сообщении.

По крайней мере, в то же время человечество искало комфорт с помощью технологий. В то время как примитивные производители тепла, такие как уголь и древесина, все еще используются сегодня, открытие того, что нефть, природный газ и даже движущаяся вода могут генерировать недавно обнаруженное явление, известное как «электричество», превратило промышленную революцию в современную эпоху.

Только в 1930-х годах немецкие ученые опирались на открытие Энрико Ферми, что нейтроны могут расщеплять атомы, чтобы признать, что расщепление атомов высвобождает значительную энергию. - энергия, которая может быть использована как для производства бомб, так и для производства электроэнергии. К 1950-м годам ученые начали строить электростанции на основе ядерного деления, которые сегодня обеспечивают около десятой части мировой электроэнергии.

Ученые и инженеры также начали представлять себе потенциал ядерного синтеза — реакции легких атомных ядер питают Солнце и звезды. С тех пор они работали лихорадочно, но с небольшим успехом, чтобы воспроизвести эту богатую энергией реакцию с использованием дейтерия и трития.

Группа ученых и инженеров решила попробовать альтернативный подход.

Основанная в 1998 году, калифорнийская компания TAE Технологии разрабатывают реактор, который работает на протон-боронном аневтронном синтезе, то есть реакции синтеза, которая сплавляет ядро водорода с нерадиоактивным бором-11 вместо слияния изотопов водорода дейтерия и трития. Их целью является разработка коммерческой термоядерной энергии с самым чистым экологическим профилем.

Все усилия по синтезу требуют камер, которые могут выдерживать температуры в миллионы градусов по Цельсию и огромное давление, необходимое для слияния двух изотопов вместе. Для этого требуется огромное количество энергии — и до недавнего времени энергии было больше, чем при синтезе.

Большинство исследователей термоядерного синтеза, включая тех, кто строит проект ITER, строящийся во Франции, полагаются на пончикообразную камеру реактора токамак. В котором поток плазмы должен удерживаться от его стенок электромагнитами для получения любой энергии. Конструкция токамака использует тороидальное магнитное поле, чтобы содержать водородную плазму и держать ее достаточно горячей, чтобы воспламенить синтез.

К сожалению, как и в случае с ИТЭР, затраты на проект взлетели, а временные рамки упали, несмотря на случайные прорывы. На протяжении десятилетий конструкции токамаков становились гигантскими, с огромными сверхпроводящими магнитными катушками для генерации полей сдерживания; у них также были огромные сложные электромагнитные системы отопления.

В связи с неспособностью ветра и солнца полностью удовлетворить потребность в «чистой энергии», правительства и частные инвесторы начали активно инвестировать в проекты по расщеплению и синтезу. Оук-Ридж, штат Теннесси, вложил 60 миллионов долларов в государственный фонд, предназначенный для поддержки как расщепления, так и синтеза энергии в американском месте рождения атомной энергии.

Новое исследование, проведенное в Техасском университете совместно с Лос-Аламосской национальной лабораторией и группой компаний Type One Energy Group, использует теорию симметрии, чтобы помочь инженерам спроектировать системы магнитного удержания для уменьшения утечки плазмы из магнитных полей токамака.

Старый метод, используемый для реактора стелларатора, опирался на теорию возмущений. Новый метод, основанный на теории симметрии, меняет правила игры. Он также может быть использован для идентификации отверстий в магнитном поле токамака, через которые бегущие электроны проталкиваются через окружающие их стены и значительно уменьшают выход энергии.

Реактор TAE Technology полностью отличается от любой из термоядерных камер токамака или стелларатора. В 2017 году компания представила свой реактор пятого поколения, названный Norman, который был разработан для поддержания стабильности плазмы на уровне 30 миллионов С. Пять лет спустя машина доказала свою способность поддерживать стабильную плазму на уровне более 75 миллионов С.

Этот успех позволил TAE обеспечить достаточное финансирование для своего реактора Copernicus шестого поколения и предвидеть рождение готового к эксплуатации реактора Da Vinci. Между тем, TAE разработал норму.

Norm использует другой тип термоядерной реакции и новую конструкцию реактора, которая производит исключительно плазму с использованием инъекций нейтрального пучка. Конструкция TAE сбрасывает тороидальное поле в пользу линейного магнитного поля, основанного на принципе «обратной конфигурации поля» (FRC), более простом и эффективном способе строительства коммерческого реактора.

Вместо массивных магнитных катушек FRC заставляет плазму создавать собственное магнитное поле. Процесс включает в себя ускорение высокоэнергетических ионов водорода и придание им нейтрального заряда, а затем впрыскивание их в виде пучка в плазму. Это приводит к повторной ионизации пучков, поскольку энергия столкновения нагревает плазму для установки внутренних тороидальных токов.

Система впрыска нейтрального луча Norm сократила размер, сложность и стоимость до 50%. Но реактор FRC не только меньше и дешевле в производстве и эксплуатации, он также может производить в 100 раз больше мощности синтеза, чем токамак, на основе той же напряженности магнитного поля и объема плазмы.

Реактор FRC также может работать на протон-боронном аневтронном синтезе, который вместо получения нейтрона производит три альфа-частицы плюс много энергии. Чем меньше нейтронов, тем меньше поврежден реактор; энергию, выделяемую в виде заряженных частиц, легче использовать. Требуется меньше экранирования, и, пожалуй, лучше всего, бор-11 относительно обильный и не радиоактивный.

Таким образом, хотя «Норма» не может быть последним шагом в развитии коммерческой термоядерной энергии, TAE надеется, что термоядерная энергия станет «нормой» уже в середине 1930-х годов. Технология FRC существенно уменьшила риск Copernicus, по словам генерального директора TAE Мити Биндербауэра.

Если норма будет объявлена, она ускорит путь к коммерческому синтезу водородных боров — безопасному, чистому и практически безграничному источнику энергии.

Но готово ли человечество к тому, чтобы свободная энергия стала нормой? "

Дугган Фланакин является старшим политическим аналитиком в Комитете за конструктивное завтра, который пишет по широкому кругу вопросов государственной политики.