Компания Commonwealth Fusion обосновывает с физической точки зрения целесообразность своего реактора мощностью 400 МВт.

Пять рецензируемых научных статей обновляют конструкцию и моделируют ожидаемые результаты работы системы.

Источник: Commonwealth Fusion Источник: Commonwealth Fusion

Научное сообщество разработало план достижения термоядерной энергетики. Он предполагает более глубокое понимание того, как управлять термоядерным синтезом в реакторе типа токамак, используя строящийся в настоящее время реактор ITER, а затем применение этих знаний для создания установок типа DEMO. Но ожидается, что ITER начнет получать горячую плазму только в середине 2030-х годов, к тому времени солнечные панели станут настолько дешевыми, что мы, вероятно, будем получать их бесплатно в коробках с хлопьями.

Компания Commonwealth Fusion — это стартап, который, по сути, задаёт вопрос: «А что, если мы сделаем это, но сейчас?» Его аналог в ITER, токамак SPARC, готов более чем на 70 процентов и планируется к запуску уже в следующем году. У компании уже есть площадка и клиенты для последующего проекта по выработке электроэнергии, называемого ARC. Оба этих проекта основаны на использовании высокотемпературных сверхпроводников для генерации чрезвычайно мощного магнитного поля, что позволит компании построить реактор меньшего размера и, следовательно, быстрее завершить работы.

Многолетний опыт работы с плазмой в токамаках позволил нам убедиться в правильности основных положений этих планов. Однако в деталях таится множество потенциальных проблем (иначе не было бы особой необходимости в экспериментальных реакторах). Поэтому ученые из Commonwealth в сотрудничестве с академическим сообществом недавно опубликовали пять рецензируемых статей, в которых подробно изложены планы по ARC: что говорят нам наши лучшие модели сейчас и что нам еще предстоит узнать из SPARC, чтобы завершить проектирование производственной термоядерной установки.

Основы ARC

Все статьи опубликованы в журнале Journal of Plasma Physics — они находятся в открытом доступе, поэтому вы можете ознакомиться с ними самостоятельно, но они довольно объемные (примерно 30–40 страниц в формате PDF) и очень технические. Ниже приводится обзор некоторых статей и несколько моментов, которые привлекли мое внимание при их прочтении.

ARC — это токамак, в котором будет происходить термоядерный синтез двух более тяжелых изотопов водорода — дейтерия и трития. В результате этой реакции образуется ядро гелия, а также выделяются нейтрон и излучение. Гелий передает тепло плазме, поддерживая условия, необходимые для термоядерного синтеза, но в остальном он является отходом, называемым в контексте термоядерного синтеза «золой». Нейтрон и излучение, однако, используются по назначению.

Часть этого процесса заключается в передаче энергии в слой расплавленной соли, окружающий термоядерную камеру. Эта энергия в виде тепла будет использоваться для привода турбины, вырабатывающей электроэнергию. Расплавленная соль содержит ионы лития; когда один изотоп лития поглощает нейтрон, он распадается на большее количество гелия, а также тритий, который может быть использован в качестве топлива для реактора. Присутствуют изотопы, которые также будут высвобождать дополнительные нейтроны, что позволит этому процессу генерировать достаточное количество топлива.

В целом, согласно текущему проекту ARC, ожидается, что электростанция будет производить около 1,13 ГВт термоядерной энергии, из которых 500 МВт будут извлекаться в виде электроэнергии. Часть этой энергии (100 МВт) потребуется для обеспечения работы станции, а 400 МВт будут направлены в электросеть.

Остальная энергия либо сохраняется в токамаке для поддержания термоядерных реакций, либо теряется из-за неэффективности тепло- и энергопередачи системы. Эти цифры весьма неопределенны; 1,13 ГВт — это лишь середина диапазона потенциальных значений от 900 МВт до 1,3 ГВт, поэтому выходная мощность в 400 МВт, возможно, потребуется скорректировать в большую или меньшую сторону.

Часть этих 400 МВт вырабатывается в периоды, когда термоядерный синтез не происходит. Ядерные реакции будут протекать в течение 15-минутных периодов, которые будут чередоваться с минутными перерывами. Перерывы должны быть достаточно короткими, чтобы ничто не успевало остыть, прежде чем снова нагреться — тепловая инерция позволит продолжать выработку энергии. Это будет одним из ключевых отличий SPARC, у которого нет необходимого отвода тепла для поддержания стабильного термоядерного синтеза в течение таких длительных периодов времени, и поэтому он не может поддерживать почти постоянные температуры, необходимые для надежной выработки электроэнергии.

Неизбежно, что части устройства будут подвергаться воздействию радиации и, возможно, термоядерной плазмы. Внутренние стенки реактора будут экранированы вольфрамом, что ограничит эрозию под воздействием условий. При этом вакуумная камера спроектирована таким образом, чтобы её можно было заменять каждые один-два года. В статьях отмечается, что такая гибкость позволит вносить некоторые изменения в конструкцию даже после завершения строительства ARC. Для этого весь токамак планируется разделить пополам для проведения технического обслуживания.

Нестабильность

Две основные неопределенности в работе установки ARC — это давние проблемы термоядерного синтеза: как справляться с магнитными неустойчивостями и как обращаться с гелиевым пеплом и материалами, которые вырываются из магнитной капсулы.

Часть проблем будет решаться простым сбросом настроек, происходящим каждые 15 минут работы, в результате чего реакционная камера очищается, и добавляется свежее топливо. Однако во время работы это будет осуществляться с помощью так называемого дивертора — области, где линии магнитного поля формируются таким образом, чтобы часть материала могла выйти из зоны удержания.

«Чтобы максимизировать выходную мощность термоядерного синтеза в установке ARC, избегая при этом чрезмерной эрозии компонентов, обращенных к плазме, нам потребуется рассеивать большую часть мощности, пересекающей последнюю замкнутую магнитную поверхность, путем введения излучающих примесей, таких как аргон или неон, для обеспечения отрыва дивертора», — говорится в одной из статей. «Отрыв дивертора необходимо будет интегрировать с высокоэффективной плазмой в ядре и с эффективной откачкой примесей, чтобы предотвратить накопление гелиевой пыли в ядре».

Используемые ими модели предсказывают, что система будет поддерживать достаточное давление в диверторе, чтобы выбрасывать достаточное количество гелиевого пепла, предотвращая его вмешательство в термоядерные реакции. Но это предсказание необходимо будет проверить эмпирически.

Магнитные нестабильности могут привести к быстрой потере контроля над плазмой, что потенциально может вызвать столкновение энергичных заряженных частиц со стенками реактора. Вольфрам ограничивает повреждения и защищает более чувствительное оборудование, но со временем он будет разрушаться, а отслоившийся вольфрам может остаться в камере и загрязнить последующие циклы работы системы.

Была проделана большая работа по разработке систем, контролирующих магнитные поля, содержащие плазму, с целью выявления показаний датчиков, предвещающих нестабильность, и выбора корректировок, способных её подавить. (В этом могут быть полезны системы на основе искусственного интеллекта.) Установка Commonwealth определённо планирует заблокировать как можно больше нестабильностей. Но она также реалистично оценивает ситуацию и ожидает, что некоторые из них неизбежно произойдут. Поэтому планируется просто гасить систему с минимальным ущербом и перезапускать её как можно быстрее, чтобы система отвода тепла не остыла значительно. По сути, идея состоит в том, чтобы быстро вернуть систему в её обычное состояние во время минутных перезапусков, которые являются частью её типичной работы.

Одна из опасностей во время нестабильностей — это убегающие электроны, которые ускоряются до релятивистских энергий и могут врезаться в стенки реакционной камеры. С ними, возможно, легко справиться с помощью тщательно расположенного внутри реактора провода, который может преобразовывать электроны в ток, который можно извлечь. Но компания Commonwealth не планирует устанавливать такую систему, пока не станет ясно, что это серьезная проблема: «SPARC изучит работу… что позволит получить данные о необходимости специальных систем предотвращения появления убегающих электронов в ARC».

Гораздо более проблематичной является потеря удержания более тяжелых частиц в плазме, которые способны вызывать более значительную эрозию. Идея заключается в том, чтобы как можно быстрее охладить систему до более низких энергий, предотвращая при этом попадание материала на стенки. Поэтому в ARC будет предусмотрено несколько мест, где контроллер сможет вводить неон в реакционную камеру, чтобы решить обе проблемы.

Физика против финансов

Очевидно, что команду из стран Содружества беспокоит гораздо больше вопросов, чем то, что привлекло мое внимание. В одной из статей был «неполный» список физических проблем, в решении которых SPARC поможет им разобраться, и он состоял из 18 пунктов. И хотя это ограничит число нерешенных вопросов, имеющих отношение к ARC, строительство ARC планируется проводить параллельно с экспериментами в SPARC, поэтому возможно, что в последний момент потребуется внести некоторые коррективы в конструкцию ARC во время его строительства.

Но в целом, рецензируемые статьи убедительно доказывают, как выразился главный научный сотрудник Commonwealth Брэндон Сорбом: «Когда мы построим термоядерную электростанцию ARC, она будет работать». Согласно нашим лучшим моделям, разработанным с использованием реальных данных с нескольких токамаков, ARC должна быть способна регулярно запускать термоядерные реакции, которые выделяют больше энергии, чем мы в них затрачиваем.

Но есть «работа» с точки зрения физики и «работа» с точки зрения рынка. Для того чтобы это работало, как запланировано, термоядерный синтез должен поддерживаться в течение 15-минутных периодов и испытывать очень мало нестабильностей в течение дня, чтобы поддерживать достаточную температуру для работы. А такие работы по техническому обслуживанию, как замена вакуумного контейнера, должны выполняться достаточно быстро, чтобы установка не простаивала длительное время.

Кроме того, существуют финансовые проблемы, связанные с большими первоначальными затратами на сложное оборудование и вспомогательную инфраструктуру, а также с высококвалифицированным персоналом, необходимым для эксплуатации подобного объекта. Одним из главных преимуществ является то, что он должен обеспечивать круглосуточное энергоснабжение без необходимости в каком-либо отдельном хранилище, но в настоящее время операторы энергосетей не предоставляют достаточных финансовых стимулов для обеспечения такой надежности. Таким образом, Commonwealth придется конкурировать с очень дешевыми источниками генерации в течение части дня.

Всё это говорит о том, что система ARC может работать с физической точки зрения, но в конечном итоге потерпеть неудачу, когда начнёт вырабатывать электроэнергию. Сорбом сказал, что компания провела расчёты при различных предположениях и пришла к выводу, что система ARC имеет смысл. Но финансовый риск будет самым сложным для вывода из эксплуатации, и, возможно, потребуется, чтобы система ARC работала десятилетиями, прежде чем мы получим окончательный ответ.

Источник: arstechnica.com