Канадский термояд на паровой тяге: будущее
Чтобы начала протекать реакция ядерного синтеза, необходимо, преодолев силы кулоновского отталкивания, свести ядра легких элементов на очень близкое расстояние, где начинает работать сильное ядерное взаимодействие, и удерживать их, пока ядра не сольются с образованием более тяжелого элемента. Для этого термоядерное топливо нужно сжать и очень сильно разогреть (до десятков и сотен миллионов градусов). Именно так происходит термоядерное «горение» водорода в ядре Солнца. За прошедшие полвека физики не смогли создать реальную электростанцию, работающую на термояде, но основательно изучили вопросы сжатия, разогрева и удержания термоядерного топлива. Существует два основных подхода к этому вопросу — магнитное и инерциальное удержание.
Магниты и лазеры
Магнитное удержание основано на том, что магнитное поле специальной конфигурации удерживает разреженную дейтерий-тритиевую плазму, разогреваемую до высоких температур. Наиболее перспективен в этом отношении токамак (тороидальная камера с магнитными катушками), и именно на этой схеме основан международный экспериментальный термоядерный реактор ITER, который сейчас строится на юге Франции и должен вступить в строй в 2020 году.
Инерциальное удержание основано на принципиально другом подходе: импульсном сжатии до чрезвычайно высокой плотности. Такой подход реализуют в исследовательском центре NIF (National Ignition Facility) в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса. Лазерное излучение испаряет стенки топливной капсулы, образуя ударную волну, которая сжимает и разогревает топливо.
На паровой тяге
Существует еще несколько подходов к реализации управляемого термояда. При магнитно-инерциальном синтезе (МИС, MIF), одним из видов которого является синтез замагниченной мишени (СЗМ, MTF), обжимается заранее сформированная плазма с вмороженным магнитным полем, которое усиливается в процессе сжатия и помогает удерживать высокоэнергичные продукты синтеза внутри мишени, способствуя нагреву плазмы до термоядерных температур. Такой подход, известный с 1970-х, изучается во многих исследовательских центрах, а для собственно обжатия чаще всего используется лазерное излучение.
А вот канадская компания General Fusion при реализации схемы СЗМ пошла принципиально другим путем. Их реактор представляет собой сферическую камеру, заполненную жидким свинцом с добавкой лития (для размножения трития в процессе синтеза). Свинец закручивается, образуя в центре сквозной канал, в который выстреливаются с помощью инжекторов вихревые кольца замагниченной плазмы. В инжекторах плазма сжимается в 10−15 раз и разогревается до нескольких миллионов градусов. Когда плазменные вихри оказываются в центре камеры, сотня паровых молотов одновременно бьет в расплавленный свинец, формируя сходящуюся сферическую ударную волну. Канал схлопывается, и жидкий металл обжимает дейтерий-тритиевую плазменную мишень, начиная термоядерную реакцию. Тепловая энергия отводится тем же самым свинцом в парогенератор, пар вращает турбогенераторы и приводит в движение молоты.
Плюсы системы General Fusion — в простоте реализации и хорошей масштабируемости: выходная мощность регулируется путем изменения частоты «микровзрывов». Кроме того, такая схема не требует расходных элементов — капсул или хольраумов. Но и требования к симметричности обжатия достаточно высоки (пока этот параметр исследуется на небольших рабочих макетах с пневматическими молотами). И если General Fusion удастся осуществить управляемую термоядерную реакцию (компания планирует сделать это в 2020-х), в восторге будут не только поклонники стимпанка.