Сначала готовят небольшую топливную капсулу
цилиндрической формы. С внутренней стороны этой оболочки размещают
замороженные дейтерий и тритий, а в центре – те же изотопы, но
газообразные. Капсулу помещают в сердцевину машины. Там, чуть ниже
и выше капсулы, расположены две электромагнитные катушки. При запуске
аппарата сначала сравнительно маломощный лазер подогревает топливный
заряд. Далее через катушки пропускается ток, который создаёт
вертикальное магнитное поле, проникающее в оболочку топливного заряда. В следующее
мгновение уже сама оболочка генерирует очень сильный импульс магнитного
поля за счёт прохождения через неё чрезвычайно большого тока (в десятки
мегаампер). Это второе поле и породивший его ток производят сразу
два важных эффекта. Они заставляют оболочку капсулы сжаться в несколько
раз. И они же сжимают и концентрируют силовые линии от первого поля.
MagLIF — прототип системы, окружающей «ядерную»
мишень. Хорошо видны верхняя и нижняя магнитные катушки (фото Derek
Lamppa/ Sandia National Laboratories).
Суммарный эффект приводит к тому, что оболочка превращается в плазму,
а в газообразной смеси трития и дейтерия запускается реакция синтеза.
При этом развивается столь высокая температура, что синтез уже начинает
идти и в ранее замороженном ядерном горючем. Сжатое магнитное поле
играет роль занавеса, хотя бы на мгновения, но удерживающего быстрые
альфа-частицы и электроны от разлёта и уноса энергии из зоны реакции.
Это повышает время существования плазмы настолько, что всё топливо
успевает нормально отработать. А ведь описанные выше процессы крайне
быстротечны. Все они должны проходить за десятки-сотни наносекунд. Здесь очень важной оказалась величина импульса тока, подаваемого на оболочку цели. Компьютерная симуляция выявила,
что при 60 мегаамперах в ходе термоядерной реакции освободится в 100
раз больше энергии, чем было затрачено на запуск установки. А при
70 мегаамперах отдача будет уже в 1000 раз больше затрат. Это позволяет
надеяться на создание работоспособной системы, даже с учётом всяческих
потерь при преобразовании энергии. Для создания импульса тока
авторы метода предлагают использовать Z-машину, установленную в основном
комплексе лаборатории Сандия в Альбукерке (на снимке под заголовком).
Эта установка применяется в целом ряде экспериментов по воздействию
высоких температур, полей и давлений на различные материалы. В частности, это та самая машина, которая обеспечила рекордное ускорение твёрдого тела в 10 миллиардов g и превращала алмазы в жидкость.
Z-машина и её основные части: генераторы Маркса
(красный цвет на схеме), они медленно заряжаются от обычной сети,
а потом выдают импульс огромного тока и высокого напряжения, длящийся
тысячные доли секунды; проводники тока (синий, голубой, серый); мишень
в вакуумной камере (стрелка в центре). Для электрической изоляции
отдельные высоковольтные секции машины заполнены тоннами
трансформаторного масла и деионизированной воды (иллюстрации Sandia
National Laboratories).
В программе работ на Z-машине числятся и эксперименты, имеющие отношение
к проблеме управляемого термоядерного синтеза. Только изучаемый до сих
пор метод был немного иной. Дело в том, что быстрое испарение
специальной (сделанной из тонких струн) оболочки под действием
колоссального тока рождает не только плазму, но и огромный рентгеновский
импульс (до 290-350 тераватт в пике). А такой импульс может создать в твёрдой мишени огромные ударные волны, и тем самым вызвать её мгновенное сжатие и разогрев.
Такая решётка из тонких (10 мкм) проводков
служит в опытах на Z-машине источником рекордного импульса рентгена.
Именно она испаряется первой при прохождении мегаамперного тока.
В центре виден целевой контейнер с изучаемым образцом материала, которым
может быть и дейтерий-тритиевая смесь, и что-либо ещё (фото Randy
Montoya/ Sandia National Laboratories).
Собственно в некоторых опытах на Z-машине учёным уже удавалось получать
температуру в 3,7 миллиарда кельвинов. По идее, этого должно быть вполне
достаточно для старта термоядерного синтеза, но, к сожалению, время
действия этой температуры было очень коротким. Введение
дополнительных катушек с полем, которое сожмётся в момент запуска машины
и не позволит плазме слишком быстро остыть, это именно то, чего не
хватало прежней схеме. По оценке физиков, MIF должен быть в 50 раз
эффективнее, чем инерциальный термоядерный синтез, опирающийся на
рентгеновский импульс. (Детали этой работы можно найти в статье в Physical Review Letters.) Один
из авторов исследования Стив Слуц (Steve Slutz) говорит: «Люди не
думали, что намагниченный инерциальный синтез способен дать реакцию
с высокой отдачей. Но численные расчёты показывают, что так оно и есть.
Сейчас мы должны посмотреть, позволит ли нам природа осуществить это.
В принципе, мы не знаем, почему это не сработало бы». Тут остаются
ещё вопросы. Очень многое будет зависеть от равномерности сжатия
материала мишени. Любые нестабильности в созданной плазме могут погубить
эффект. Для прояснения подобных тонкостей нужен натурный опыт.
И его американцы уже готовят. Недавно они провели предварительные
испытания тех самых магнитных катушек. С настоящего момента и до начала
зимы различные узлы для будущей установки будут проходить тестирование.
А какой-то практический результат исследователи ожидают получить к концу
2013 года. Правда, ни о тысяче-, ни о стократном превышении
термоядерного выхода над затратами речи не идёт. Ведь нынешняя Z-машина
способна выдавать импульс тока «всего» в 26 мегаампер. Но и при таком
уровне можно надеяться хотя бы на паритет (равенство «входа» и «выхода»)
или даже на небольшое превышение отдачи над затратами. А позже
можно попробовать нарастить параметры Z-машины или построить более
крупный её вариант. В частности, специалисты лаборатории прорабатывают
концепцию электростанции на инерциальном термоядерном синтезе,
построенную вокруг «откормленной» Z-машины, раза в три большей по
размеру, чем нынешняя. Такая установка должна оперировать
ультракороткими импульсами тока в 70 мегаампер при напряжении до 24
мегавольт. Взрывая с их помощью по одной капсуле каждые 10 секунд, она
генерировала бы непрерывную мощность в 300 мегаватт.
Электростанция на базе увеличенной Z-машины. Синим цветом показаны генераторы импульса высокого напряжения типа LTD
(вместо генераторов Маркса на текущей версии), коричневым – радиальные
линии, передающие этот импульс в центр, где набор проводников (стрелка)
подводит мегаамперный ток к дейтерий-тритиевой мишени. Диаметр этой
установки должен составить 104 метра (иллюстрация Sandia National
Laboratories).
И ещё интересный момент. Температура в 3,7 миллиарда кельвинов
теоретически позволяет запускать и более экзотические процессы,
в частности слияния ядер водорода с литием или бором. Это безнейтронные
реакции (aneutronic fusion), не дающие радиации, наведённой радиоактивности и ядерных отходов. Если
проверка принципа MIF на нынешней Z-машине пройдёт хорошо, можно будет
говорить о рождении перспективной технологии, способной поставлять
человечеству огромное количество чистой энергии.
|