В то время как несколько научных коллабораций пытаются использовать токамак для создания и поддержания как можно дольше чрезвычайно горячей плазмы, чтобы инициировать процесс ядерного синтеза, другие ученые сосредоточены на другом подходе. Британская компания First Light Fusion Ltd из Оксфорда работает над «термоядерным снарядом», в котором снаряд выстреливается с очень высокой скоростью в мишень, содержащую термоядерное топливо, для получения энергии. В настоящее время этот подход становится новым путем к коммерческому термоядерному синтезу.
Большинство исследований в области энергии ядерного синтеза направлены на эксплуатацию экспериментальных установок — токамаков, которые специально разработаны для получения и использования этой энергии. В этих установках газ нагревается до очень высоких температур (около 150 миллионов градусов), чтобы создать плазму, в которой атомные ядра могут сливаться и вырабатывать энергию. Эта плазма удерживается мощными магнитными полями. Ученые устанавливают рекорд за рекордом, как по продолжительности, так и по мощности.
Последний пример: Объединенный Европейский Тор, расположенный в Соединенном Королевстве — крупнейший токамак в мире до начала работы ИТЭР — недавно сумел произвести 59 мегаджоулей, поддерживая реакцию синтеза в течение 5 секунд. Однако мы все еще далеки от производства полезной энергии, поскольку ни один эксперимент не привел к чистому производству энергии (цель состоит в том, чтобы произвести больше энергии, чем необходимо для начала реакции). Более простой, дешевый и быстрый подход First Light может изменить ситуацию.
Мишени, размером не больше наперстка, предназначены для концентрации энергии снаряда, тем самым взрывая топливо при температурах и плотностях, необходимых для термоядерного синтеза. Они состоят из усилителя и капсулы с топливом (дейтерием). Бустер отвечает за увеличение давления, создаваемого при ударе снаряда, тем самым уменьшая требуемую скорость, и за распределение энергии удара во всех направлениях, чтобы топливо сжималось равномерно.
В конце капсула сжимается до экстремального давления в 10 терапаскалей, или 100 миллионов атмосфер! После сжатия размер капсулы составляет менее 100 микрон. По данным компании, эти мишени могут быть изготовлены по цене от 10 до 20 долларов за штуку.
На пути к первой электростанции ядерного синтеза?
Во время имплозии топливо разгоняется до скорости более 70 км/с, что делает его самым быстродвижущимся объектом на Земле, говорят его разработчики. Каждая мишень может высвободить энергию, достаточную для питания британского домохозяйства в течение двух лет. «Поиск практичного и доступного термоядерного синтеза даст нам чистую и обильную базовую энергию, в которой мы отчаянно нуждаемся в наших усилиях по борьбе с глобальным потеплением и, надеюсь, обращению его вспять«, — сказал профессор Яннис Вентикос, соучредитель компании First Light.
Энергетическая установка, основанная на этой технологии, предполагает опускание мишени в реакционную камеру сверху и запуск снаряда в том же направлении, чтобы он попал в мишень в нужное время, как показано на видео в конце этой статьи. Процесс будет повторяться каждые 30 секунд.
Воздействие усиливается благодаря уникальной технологии First Light; высвобождаемая энергия поглощается литием, циркулирующим внутри камеры (для его нагрева), а затем теплообменник передает тепло от лития воде, генерируя пар, который вращает турбину и производит электричество. Литий используется для производства трития, одного из двух видов топлива, необходимых для термоядерного синтеза. Для установки требуются легкодоступные компоненты и существующие инженерные технологии, что еще на один шаг приближает нас к коммерческому использованию энергии термоядерного синтеза.
В настоящее время компания работает над повышением эффективности своего подхода, поскольку пока не удается получить больше энергии, чем требуется для запуска реакции. Для этого ему необходимо повысить температуру, что означает увеличение скорости снаряда. Компания также планирует объединить усилия с существующими производителями электроэнергии для разработки экспериментальной установки, которая должна быть введена в эксплуатацию в 2030-х годах. Это позволит производить около 150 МВт электроэнергии при инвестициях менее одного миллиарда долларов.