100 тысяч атмосфер за микросекунду: в США испытали альтернативу классическим токамакам
Давление около 100 тыс. атмосфер внутри плазменного импульса стало новым заявленным результатом экспериментальной установки Texatron. American Fusion зафиксировала при испытаниях повторяемое магнитное удержание плазмы при столь высоком давлении и теперь намерена приблизиться к значительно более сложной цели: одновременно получить температуру, плотность и время удержания, необходимые для термоядерной реакции дейтерия с гелием-3.
Texatron заметно отличается от классических токамаков с длительным удержанием плазмы мощными магнитами. Установка использует короткие электромагнитные импульсы, которые должны быстро сжимать и нагревать плазму. American Fusion рассчитывает создать необходимые условия на очень короткое время, порядка одной микросекунды, после чего повторять цикл импульс за импульсом.
В расчетной модели разработчики ориентируются на температуру около 60 кэВ, или примерно 700 млн К, давление около 100 тыс. атмосфер и пиковое удержание продолжительностью одну микросекунду. Однако температура 700 млн К пока остается расчетной целью, а не опубликованным результатом измерений. American Fusion также не заявляет о достижении термоядерного зажигания или положительного энергетического выхода.
Компания сравнила две версии Texatron. Меньшая установка использует камеру диаметром 11 дюймов и плазменный столб диаметром 25,4 мм, а более крупная получила камеру диаметром 23 дюйма и плазменный столб диаметром 50,8 мм. American Fusion связывает разработки с будущими системами класса 500 кВт и пять мегаватт соответственно. Расчетный объем плазмы увеличивается с 445 до 3720 куб. см, примерно в 8,36 раза.
При одинаковых предполагаемых параметрах плазмы модель дает около 1,3 × 1015 реакций за импульс для меньшей установки и около 1,1 × 1016 для крупной. Расчетная термоядерная энергия составляет 3,9 и 32,6 кДж за импульс. Если разделить энергию на микросекундную продолжительность пика, получается мгновенная мощность 3,9 и 32,6 ГВт. Разработчики отдельно подчеркивают, что гигаВаттные значения представляют собой математический эквивалент мощности в течение одной микросекунды, а не измеренную электрическую мощность Texatron.
Высокого давления самого по себе для запуска устойчивого синтеза недостаточно. Физика термоядерной реакции зависит от сочетания плотности плазмы, температуры и времени удержания, известного как тройное произведение. American Fusion предстоит одновременно обеспечить необходимые значения всех трех параметров и компенсировать потери энергии, включая тормозное излучение плазмы.
Выбор дейтерия и гелия-3 делает задачу особенно сложной. Министерство энергетики США отмечает, что дейтерий и гелий-3 требуют более высоких температур ионов, чем наиболее распространенная в исследованиях смесь дейтерия и трития. Взамен основная реакция D-³He выделяет большую часть энергии в заряженных частицах и создает значительно меньшую нейтронную нагрузку. Полностью безнейтронной схема не становится, поскольку побочные реакции между ядрами дейтерия способны порождать нейтроны.
Следующий этап программы охватит диапазон температур от 50 до 200 кэВ. Исследователи хотят определить, какие плотность и давление потребуются при удержании продолжительностью около одной микросекунды и дольше, а затем сопоставить экспериментальные показатели с условиями самонагрева и зажигания плазмы. Расчеты также должны учитывать тормозное излучение и другие механизмы потери энергии.
Испытательная программа стартовала в конце июля в Texas Tech University, где команда American Fusion проверила оборудование, измерительные системы и отдельные подсистемы Texatron. Ранее компания получила разрешение штата Техас на исследовательскую эксплуатацию 12 классов установок мощностью от 500 кВт до 1 ГВт. В квартальном отчете American Fusion отдельно указывает, что разрешение касается исследований и разработки и не подтверждает работоспособность технологии или заявленные коммерческие характеристики.
До практического термоядерного генератора Texatron остается несколько принципиальных этапов: необходимо подтвердить требуемую температуру и плотность плазмы, получить реакции D-³He, добиться самоподдерживающегося зажигания, а затем доказать положительный энергетический баланс. Опубликованные показатели 100 тыс. атмосфер показывают прогресс только по одной части задачи, тогда как расчетные 32,6 ГВт пока нельзя считать произведенной термоядерной мощностью.