Термоядерный реактор Lockheed Martin

Компактный термоядерный реактор Lockheed Martin, High beta fusion reactor, четвёртое поколение прототипа T4 — проект, разработанный группой специалистов под руководством Карла Чейза (англ. Charles Chase) в подразделении Skunk works, специализирующемся на секретных разработках, компании Lockheed Martin. Проект представляет реализацию дизайна компактного тороида и предусматривает значительное сокращение сроков реализации проектов по термоядерному синтезу. Впервые был представлен на форуме Google Solve for X 7 февраля 2013 года[1].

Чарльз Чейз и его команда из фирмы Lockheed разработали компактную конфигурацию термоядерного реактора
Логотип Lockheed Martin

Планом компании Lockheed Martin является «создать и протестировать компактный термоядерный реактор менее чем за год и дальнейшее создание прототипа в течение пяти лет»[2].

История

Проект начался в 2010 году[3]. В 2013 году Lockheed Martin подала заявку на патент «Инкапсулирующие магнитные поля для удержания плазмы», которая поступила в Бюро по регистрации патентов и торговых марок США в апреле 2014 года[4].

В октябре 2014 года Lockheed Martin объявила, что они будут пытаться создать компактный термоядерный реактор, размером 2,1х3 метра[5], который «может уместиться в кузове грузовика», мощностью 100 МВт. Этого достаточно, чтобы обеспечить электроэнергией город с населением 80000 человек[6].

Главным конструктором и техническим руководителем группы разработчиков компактного термоядерного реактора является Томас Мак-Гир, сделавший ранее кандидатскую диссертацию[7][8] на фузоре в Массачусетском технологическом институте.[9] Мак-Гир изучал термоядерный синтез в аспирантуре, в качестве возможного источника движения в космосе, в связи с планами НАСА сократить время путешествия на Марс[10][11][12].

В феврале 2018 года Lockheed Martin получила патент на «магнитный концентратор плазмы», из документа ясно, что речь идёт о компактном термоядерном реакторе, который по размеру сопоставим с обычным контейнером, позволяющем обеспечить электроэнергией порядка 80 тысяч домов[13][14].

Название

Реактор называется High beta fusion reactor в честь бета-коэффициента, определяющего отношение давления плазмы и давления магнитного поля,

[15].

Синтез

Ядерный синтез реализуется путем удаления электронов из атомов двух изотопов водорода: дейтерия и трития, смешивания полученных атомных ядер и удержанием полученной плазмы в небольшом пространстве.

Затем плазму нагревают, чтобы ускорить движение ядер. Это необходимо потому, что оба ядра положительно заряжены и нужна большая скорость движения ядер, чтобы преодолеть электростатическое отталкивание и заставить ядра сталкиваться. При достаточно высокой скорости сталкивающихся ядер происходит синтез атома гелия и высокоэнергетичного нейтрона, энергия которого может быть удержана с помощью замедления нейтрона. Передача этой энергии к охлаждающей жидкости позволяет использовать его для выработки электроэнергии. Небольшое количество дейтерия и трития может сравниться по производительности с обычным ядерным реактором, но без ядерных отходов и с гораздо меньшим риском вредного излучения.[3]

Устройство
Устройство магнитного зеркала

Проект предусматривает удержание плазмы с помощью магнитного зеркала. Магнитные поля высокой плотности отражают движущиеся частицы внутрь, в объём с низкой плотностью магнитных полей.[16]

Lockheed ориентирована создать относительно небольшое устройство, размером сравнимым с обычным реактивным двигателем. Компания утверждает, что это позволит намного быстрее реализовать проект, так как каждая конструкция может быть произведена быстрее и значительно дешевле, чем в крупномасштабных проектах, таких как Joint European Torus или ИТЭР.[16]

Используется два набора зеркал. Пара кольцевых зеркал находится внутри цилиндрического корпуса реактора с обоих концов. Другой набор зеркал окружает цилиндр реактора. Кольцевые магниты производят магнитное поля, известное как диамагнитное пике, в котором магнитные силы быстро изменяют направление и сжимают ядра к средней точке между двумя кольцами. Поля же внешних магнитов прижимают ядра обратно к концам сосуда. Этот процесс известен как «рециркуляция».[3] Показанный на картинке проект не является проектом Локхид Мартин, а представляет из себя пробкотрон так же использующий эффект зеркала. В реакторе Локхид Мартин используется конфигурация касп. Обе эти конфигурации (касп и пробкотрон) были интенсивно изучены в 50х- 70х годах двадцатого века и отвергнуты. Основная проблема в том, что заряженная частица не испытывает никакой силы если летит вдоль магнитного поля. Эти частицы теряются сразу улетая из ловушки. Проблема усугубляется тем, что изначально удерживаемые частицы сталкиваясь между собой тоже попадают в подобную ситуацию и теряются безвозвратно. В результате наиболее продвинутые установки используют замкнутые силовые линии (токамак, стелларатор, пинч с обращённым полем). За счёт этого температура была повышена в тысячи раз по сравнению с не замкнутыми силовыми линиями.

Одним из новшеств проекта является использование сверхпроводящих магнитов . Они позволяют создать сильные магнитные поля при меньших затратах энергии, чем обычные магниты. В проекте не предусматривается чистого тока, что как утверждает Lockheed, устраняет основной источник неустойчивости плазмы и улучшает удержание. Небольшой объём плазмы уменьшает энергию, необходимую для достижения синтеза. В рамках проекта планируется заменить микроволновые излучатели, которые нагревают плазму на обычные инжекторы пучка нейтральных частиц, в которых электрически нейтральные атомы дейтерия передают свою энергию плазме. Однажды начавшись, энергия от слияния частиц поддерживает необходимую температуру для последующих событий слияния. Отношение давления плазмы к давлению магнитного поля при этом на порядок выше, чем в токамаках.[3]

Вот некоторые другие характеристики термоядерного реактора:

  • Магнитное поле увеличивается, толкая плазму обратно.
  • Термоядерный реактор имеет очень мало открытых силовых линий .
  • Система нагревает плазму с помощью радиоволн

Прототип планируется создать сначала размерами 1x2 метра, далее в коммерческих образцах отмасштабировать до размеров 2x2x4 метра.

Задачи, подлежащие разрешению

Кольцевые магниты требуют защиты от повреждающего нейтронного излучения плазмы. Температура плазмы должна достигать многих миллионов кельвинов. Магниты должны быть охлаждены до температур чуть выше абсолютного нуля, чтобы поддерживать сверхпроводимость.[3]

Компонент «бланкет» (оболочка реактора) имеет две функции: он захватывает нейтроны и передает их энергию теплоносителю и заставляет нейтроны сталкиваются с атомами лития, превращая их в тритий, используемый в качестве топлива для реактора. Вес бланкета является ключевым элементом для возможных применений реактора. Проект предполагает, что реактор может весить 300—1000 тонн.[3]

Планы

Компания планирует отмасштабировать рабочий прототип до готовой производственной модели в 2024 году и быть в состоянии к 2045 году обеспечивать в мире нагрузку 44 Тера-кВт-ч.[17][18][19][20]

Патенты

Lockheed подала заявку на три патента[уточнить].

Потенциальные прикладные применения

Компания называет несколько потенциальных применений для своего реактора:

  • Самолёты, корабли (заправка на длительный срок работы)
  • Производство электроэнергии без выбросов углекислого газа
  • Энергоснабжение городов, опреснение воды
  • Исследование космоса и удешевление космического транспорта

Критика

Профессор физики и директор национальной лаборатории синтеза Великобритании Стивен Коули (англ. Steven Cowley) призвал к более точным данным, отметив, что современная парадигма мышления в термоядерных исследованиях «чем больше, тем лучше». На других установках термоядерного синтеза показатели улучшаются в 8 раз при увеличении линейных размеров реактора в два раза[21].

См. также

Примечания
  1. FuseNet: The European Fusion Education Network, <http://www.fusenet.eu/node/400>
  2. Lockheed says makes breakthrough on fusion energy project. Дата обращения 15 октября 2014.
  3. Nathan, Stuart. New details on compact fusion reveal scale of challenge, The Engineer (22 октября 2014).
  4. Lockheed Martin заподозрили в создании действующего термоядерного реактора. lenta.ru. Дата обращения: 2 декабря 2021.
  5. Lockheed Martin через год создаст компактный термоядерный реактор. Ведомости. Дата обращения: 2 декабря 2021.
  6. Norris, Guy. Fusion Frontier // Aviation Week & Space Technology. — 2014. — 20 октября.
  7. Improved Lifetimes and Synchronization Behavior in Multi-grid Inertial Electrostatic Confinement Fusion Devices, MIT, Feb 2007, <http://ssl.mit.edu/publications/theses/PhD-2007-McGuireThomas.pdf> Архивная копия от 31 мая 2013 на Wayback Machine
  8. McGuire, Sedwick (21 July 2008), Numerical Predictions of Enhanced Ion Confinement in a Multi-grid IEC Device, <http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/6.2008-4675>
  9. Meet The Leader Of Skunk Works’ Compact Fusion Reactor Team, Aviation Week & Space Technology (20 октября 2014). Дата обращения 24 ноября 2014.
  10. Norris, Guy (15 October 2014), Skunk Works Reveals Compact Fusion Reactor Details, <http://aviationweek.com/technology/skunk-works-reveals-compact-fusion-reactor-details>. Проверено 18 октября 2014.
  11. Norris, Guy (14 October 2014), High Hopes – Can Compact Fusion Unlock New Power For Space And Air Transport?, <http://aviationweek.com/blog/high-hopes-can-compact-fusion-unlock-new-power-space-and-air-transport>
  12. Hedden, Carole (20 October 2014), Meet The Leader Of Skunk Works’ Compact Fusion Reactor Team, <http://aviationweek.com/technology/meet-leader-skunk-works-compact-fusion-reactor-team Meet>
  13. Lockheed Martin получила патент на портативный «магнитный концентратор плазмы». Хабр. Дата обращения: 2 декабря 2021.
  14. Encapsulating Magnetic Fields for Plasma Confinement (англ.). Дата обращения: 2 декабря 2021.
  15. Wesson, J: «Tokamaks», 3rd edition page 115, Oxford University Press, 2004
  16. Talbot, David. Does Lockheed Martin Really Have a Breakthrough Fusion Machine?, Technology Review (20 октября 2014).
  17. Youtube: Lockheed Martin: Compact Fusion Research & Development (видео), Oct 15, 2014
  18. Фото: October 16, 2014, www.theage.com.au: Lockheed Skunk Works developing truck-sized fusion reactor
  19. Иллюстрации: Oct 15, 2014, aviationweek.com: Skunk Works Reveals Compact Fusion Reactor Details  (англ.): "…The CFR will avoid these issues by tackling plasma confinement in a radically different way. Instead of constraining the plasma within tubular rings, a series of superconducting coils will generate a new magnetic-field geometry in which the plasma is held within the broader confines of the entire reaction chamber…Preliminary simulations and experimental results "have been very promising and positive, " McGuire says. «The latest is a magnetized ion confinement experiment, and preliminary measurements show the behavior looks like it is working correctly. We are starting with the plasma confinement, and that’s where we are putting most of our effort…», backup
  20. 15 October 2014, theguardian.com: Lockheed announces breakthrough on nuclear fusion energy  (англ.): «…Lockheed Martin Corp said on Wednesday it had made a technological breakthrough in developing a power source based on nuclear fusion, and the first reactors, small enough to fit on the back of a truck, could be ready for use in a decade…Ultra-dense deuterium, an isotope of hydrogen, is found in the earth’s oceans, and tritium is made from natural lithium deposits. It said future reactors could use a different fuel and eliminate radioactive waste completely…Lockheed said it had shown it could complete a design, build and test it in as little as a year, which should produce an operational reactor in 10 years, McGuire said…»
  21. McGarry, Brendan (16 October 2014), Scientists Skeptical of Lockheed’s Fusion Breakthrough, <http://defensetech.org/2014/10/16/scientists-skeptical-of-lockheeds-fusion-breakthrough/>. Проверено 23 октября 2014.

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.