Пару слов о новосибирском термояде

По результатам обсуждения новости из Новосибирского отделения АН про успехи в термояде видно деление обсуждающих на два класса людей - от "ну ваще заживём теперь" до "ничего нового", "во Франции ещё круче строится", "50 лет обещаний" и т.п..

Истина в данном случае не посередине, она вообще в стороне. Нужно немного понимать, что именно сделали и зачем, поэтому чуть контекста.

Оказалось, что плазма высоких температур - дико сложная штука. Качество термоядерной установки определяется тройным произведением количество_частиц*температура*время (n*t*tau), и каждый раз, когда считали, что все проблемы решены и нужно лишь ещё чуток поднять давление/время удержания/температуру, оказывалось, что поднятие на чуток радикально меняет все расклады - возникают новые неустойчивости, старые способы перестают работать, и вообще возникает всё больше и больше проблем. В 70-е годы у одного плазмиста взяли интервью, и он обещал рабочий термояд "через 20 лет". Когда у него брали интервью в 90-е, тот сказал - что через 20 лет проблема будет решена. Какой-то памятливый журналист напомнил это обещание, на что следовал невозмутимый ответ "Как видите, я не меняю своего мнения". В общем, всё оказалось сильно сложнее, чем виделось в 50-е, отсюда такой целый шлейф из неисполненных обещаний и несбывшихся ожиданий за термоядом.

И после 60 лет работы над термоядом и опробования сотен (таки буквально) разных подходов выжило несколько направлений, которые можно пересчитать буквально по пальцам руки.

Самое известное - токамаки (к слову, токАмак, не токОмак - от русского ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками). Бублик, в котором плазма удерживается магнитом.

После почти 50 лет борьбы с плазмой, с ними таки добились потрясающего прогресса и в 1996-м году на европейском токамаке JET впервые получили превышение выхода энергии термояда над закачанной в плазму. С тех пор было в физике токамаков сделано ещё несколько открытий (например, открытие H-моды, сильно и "бесплатно" улучшающей параметры машин), общий технологический уровень тоже вырос, и в результате в 1990-х возникло понимание, что если построить здоровенный токамак, побольше JET, то он будет будет добывать энергию в промышленных количествах. Поэтому в 1990-е 30 стран (включая ЕС, США, СССР и Японию) решили объединить усилия и строить ИТЭР - большой токамак, который сейчас строится во Франции.

Эта попытка отличается от всех предыдущих тем, что вокруг неё сделано большое количество "поддерживающих" работ на установках всего мира. Отработаны скейлинги (зависимость улучшения параметров от увеличения размеров) на куче установок, уже получены на других установках достаточные времена удержания, достаточные температуры и достаточные давления (но не все вместе - именно за этим нужен ИТЭР). Физика токамаков сильно выросла, появились годные расчётные методы, сильно выросла мощность компов, новые материалы (те же сверхпроводники), огромный прогресс в электронике. В общем, сейчас нет никаких особых причин сомневаться в успехе ИТЭР (в том смысле, что он заработает). Ну а задержки процентов так на 90 связаны с политикой и сложностью огромного, дорогущего, сложнейшего международного технического проекта (ИТшники, кто работал в интернациональной команде с офисами в разных странах - поймут; так вот у ИТЭР всё в тысячи раз хуже и сложнее). Достаточно сказать, что США выходили из финансирования в 90-е, что потребовало ПОЛНОСТЬЮ перепроектировать ВЕСЬ реактор с нуля. А потом они вернулись (а теперь снова хотят выйти:)).

Но. По мере реализации проекта появлялось понимание, что токамак в принципе - слишком сложен и дорог, чтобы быть хорошим серийным решением по экономике. У него есть масса недостатков - он импульсный, он принципиально работает на дейтериво-тритиевой смеси, порождаемый мощнейший поток нейтронов (в десятки раз больше, чем у реакторов на быстрых нейтронах и в 5 раз с бОльшей энергией нейтронов) гарантирует мучения с материалами и радиоактивностью, у него низкий КПД (в силу того, что это "кипятильник", как АЭС)... В общем, у него куча недостатков, из-за которых ему будет сложно конкурировать даже с АЭС, СБ и ветряками. Не говоря уж о газе. Даже топлива для него не так чтоб много - тритий нужно производить из лития-6, а лития на земле хоть и много, но не так чтоб бесконечно, а ведь ещё нужно сделать тритий из него. Отсюда падение интереса к термояду в целом и токамакам в частности. То есть, перефразируя чукчу из анекдота: "Ну, ладно, зажигание есть, а фигли толку?"

Вот эта дура размером с 1.6ГВт блок АЭС и стоимостью в 25 миллиардов должна давать 600МВт ТЯ-энергии (или давала бы около 110-130МВт электричества, да только турбин у неё не будет)

Поэтому же вырос интерес к сильно забытому из-за токамаков направлению, но всё ещё второму-третьему по полулярности - открытым ловушкам. Если токамак - это бублик, то открытая ловушка - это просто труба. У трубы на концах есть дыры, откуда утекает плазма. На старте (в 60-70-е прошлого века) было предложено несколько способов "заткнуть" эти дыры разного рода магнитными пробками, но через 20 лет исследований оказалось, что пробки сами вносят искажения, неустойчивости, и порождают массу проблем, которых в принципе (вот совсем, от роду) не имеет "простой и красивый" токамак. Поэтому, когда СССР на Т-3 достиг температуры 6 000 000 градусов, весь мир ломанулся на "простые и красивые" токамаки. Через 20 лет роста токамаков выяснилось, что термояд на них действительно зажигается, но вот простыми и красивыми такие машины уже никак не назвать... в то время как многие проблемы открытых ловушек, оказалось, решаемы.

Более того. На фоне поганой экономики токамака (по самым оптимистичным прогнозам цена электричества от некой будушей электростанции-наследнике ИТЭР могла бы быть где-то 12-25 евроцентов), открытые ловушки - выглядят круто и красиво. Первое и главное - хотя токамак неспособен жечь что-то кроме тритий+дейтерий, открытые ловушки принципиально могут сжигать чистый дейтерий (дейтерий из литра любой обычной воды ~= по энергии 400л бензина), дейтерий+гелий-3 (почти без нейтронов, чистый долговечный реактор, высокий КПД, да только гелий-3 тащить с Луны), и даже сверхсложное топливо бор+водород (никаких нейтронов, высокий КПД, бора и водорода навалом нахаляву). То есть, вот то самое "бесконечная энергия из дешёвого топлива".

У магнитного термояда есть такой параметр как "бета", который грубо можно описать так качество использования магнитного поля установкой. Плазму под давлением сдерживает магнитное поле, у "магнитной бутылки" есть своя прочность. Чем прочнее бутылка - тем больше и горячее плазму можно в неё натолкать и удержать, но размеры и цена магнитов очень быстро растут. Отношение того, что магнитное поле реально держит в установке к тому, что оно в принципе может сдержать по теории - и есть бета. Стоимость и сложность термоядерной установки определяется в значительной мере магнитами (у ИТЭР отдельное огромное здание в 6 этажей только под гелиевый холодильник магнитной системы - второй в мире, кстати), а у сверхпроводников есть предельное поле. Так что бета - это очень важный параметр, и для цены установки, и для того, что установка может. Так вот для токамаков бета - 0.1-0.18 (у ИТЭР 0.15, вроде), а у открытых ловушек (как показано теми же новосибирцами) относительно легко получить 0.6. 

Кроме того, токамак - это штуковина очень сложной формы, которая собирается как единое целое с микронными допусками - тысячи тонн нужно изготовить, привезти, поставить с допусками в сотни мкм на десятки м. Операции по доставке частей из Индии и Китая к точке сборки стоили десятки миллионов - и это только на провоз. Открытая же ловушка может собираться из коротких (и даже одинаковых, серийных!) секций одна за другой, возможно улучшать установку просто добавляя секции, да и изготовление+доставка короткой секции "трубы с катушкой" - попроще, чем такие вот секции перекособоченой фигни (человечек внизу справа - в масштабе). 

Ну или вот, как вариант, - выросший из токамаков стелларатор, ещё одно направление. Попробуйте представить, что эта штука диаметром 25 метров, и вам её нужно изготовить, привезти и собрать с точностью до десятков-сотен микрон; причём, чтобы было не очень скучно: вот эти синие и красные фиговины - катушки из хрупкой сверхпроводящей керамики, которые тоже нужно как-то намотать с микронными допусками, привезти и установить. Нет, они не случайно кривые, эта форма рассчитана до микрона, и с точностью до микронов катушки должны быть такими и стоять именно вот так, и ни на миллиметр в сторону. Потом их будут захолаживать до жидкого гелия и разрывать в стороны силами в десятки тонн, а они должны оставаться на месте с теми же допусками десятками лет без возможности ремонта (во время работы там нейтроны, так что после выключения всё активное и светится ласковым, но сильным гамма-излучением). Чтобы легче было представить сложности - рядом стенка (просто "бочка") маленького немецкого стелларатора, которая тоже должна быть смонтирована вакуумно-плотно с микронными допусками. Физики в публикациях говорят, что стеллараторы немного проще токамака... Мат в большинстве научных журналов не публикуют, так что инженеры пока молчат:

​

Сейчас в мире (после "токамачного погрома" этого направления в 80-90-х) существует лишь несколько групп, занимающихся открытыми ловушками, из которых самая известная - частная контора TriAlpha (двигающая науку на частные деньги с огромной скоростью) и самая значимая :) - новосибирское отделение АН РФ, так и не бросившее свои игрушки ни ради токамачной моды, ни в 90-е. В Новосибирске достигли впечатляющих для открытых ловушек параметров - n*t*tau примерно в сотые от лучших токамаков и тысячные от параметров ИТЭР. Но с другой стороны, новосибирская установка и стОит миллионы-десятки миллионов, а не десятки миллиардов как ИТЭР. По прикидкам получается, что установка с параметрами ИТЭР будет стОить в 10-100 раз дешевле ИТЭР. Конечно, прикидки в термояде - дело то ещё, однако, они тут более-менее обоснованы. Чтобы они были достаточно обоснованы - нужна ещё одна большая установка, за десятки миллионов. Тогда на её примере можно проверить расчёты, понять, как улучшаются параметры с размером и свести к минимуму риски строительства электростанции/демо. Ну, проще говоря, открытые ловушки находятся там, где токамаки были в 90-х.

...

Теперь, наконец, о том что есть и что делают в Новосибе. Новосибирцы имеют несколько простых и дешёвых установок, построенных в СССР и с тех пор немного  (бюджет работ копеечный) допиливаемых под новые идеи. Причём, часто бывает так, что материальное сильно давлеет над духовным, и опробовать получается далеко не все, не полностью, да и не так, как хотелось бы, потому что установки под эксперимент собирают из того, что есть, а вовсе не так, как надо и хочется. Опять же, термоядом тут пока и не пахнет хотя бы потому, что реальная термоядерная установка - это куча проблем с безопасностью, ненужных на данном этапе. На многих установках, где можно получить термояд, этого специально избегают, чтобы не возиться с нейтронами, радиацией и радиоактивными отходами.

От работ СССР остались ГОЛ-3, ГДЛ и АМБАЛ, причём, АМБАЛ уже давно в нерабочем состоянии (впрочем, некоторые вещи оттуда использовали или думают использовать). На ГДЛ недавно получили очень серьёзный (для такого устройства) результат по температуре - рекордный, но дело даже не в этом, а в том, что он получен с имеющимися размерами и с вот таким полем. То есть, если построить такую же фигню, но побольше и с сверхпроводящими магнитами, результат будет по-настоящему интересным. Насколько интересным - это сейчас обсуждается, ибо надёжных скейлингов пока нет.

Вот эти торчащие в сторону сине-зелёные цилиндры - это инжекторы нейтральных частиц, лучшие в мире (впрочем, сейчас они же делают гораздо круче для своих конкурентов из TriAlpha, как ни смешно - от "Роснано", которая через это вошла в акционеры американской конторы). Так что можно смело говорить, что эта технология (критичная для FRC и ГДЛ) у России пока лучшая в мире. Большая бочка - держит плазму. Тонкие места - это магнитные пробки, которые не дают плазме мгновенно выскочить из бочки. Чтобы сделать работу проще и не усложнять установку, пробки отдельно изучаются и совершествуются на установке ГОЛ-3:

Здоровенная фигня с оранжевыми набалдашниками - это просто компонент ускорителя, чтобы получать плазму, поскольку для изучения пробок нужна плазма, а реактора тут нет, эта штука нужна чтобы получать плазму, как бы изображая из себя реальный термоядерный реактор. Сама установка - это вот та тонкая коричневая труба внизу, параллельная полу.

Как легко видеть по картинкам, вся физика установки сводится к тому, что инжекторы атомов в бочке греют и правильно закручивают плазму, бочка её держит, а пробки - не дают ей вылететь по концам (работа каждого компонента безумно сложна - это плазма, с ней всё сложно). Каждый компонент очень важен, как и их работа вместе.

И вот в середине 2016-го года товарищам пришла в голову гениальная (без шуток и иронии) идея винтовой пробки, которая позволяет сверхэффективно удерживать плазму. Дело в том, что плазма в ГДЛ крутится, а винтовое поле в системе отсчёта крутящейся плазмы выглядит как двигатель, который заталкивает её обратно в бочку.

Винтовая пробка может быть в разы компактнее нынешних и требовать менее мощной магнитной системы при много лучшем удержании. Ранее я говорил, что проблема концевого удержания была одной из основных причин, по которым отказались от открытых ловушек в пользу токамаков... с тех пор пробки сильно улучшились, но вот это - улучшение совершенно радикальное, позволяющее удешевить и улучшить пробочную систему в разы даже по сравнению с тем, что есть сейчас (и как небо и земля по сравнению с 80-ми). Если, конечно, теперь заработает как надо: горячая плазма - подлая штука. Отдельная тема - то, что этот же принцип можно использовать для двигателя, который проще/дешевле VASIMIRa и имеет бОльший Iу, чем у холловских плазменных двигателей (как русские СПД). Ещё одно интересное именно для термояда применение: вращающаяся плазма, "уперевшись "в винт, может совершать работу против поля, что даёт возможность красиво и эффективно преобразовывать её энергию в электричество (это важно для безнейтронных реакций - как с гелием-3 или бороводородом). То есть, пробка лёгким движением руки при надобности превращается в систему накачки плазмы, подачи топлива или генератор.

Вторая идея новосибирцев - особая конфигурация плазмы внутри бочки ("пузырь" в терминах Беклемишева), позволяющая увеличить "полезный" объём магнитного поля. То есть, относительно "бесплатно" увеличить количество частиц в той же установке и коэффициент использования магнитов. Качество установки определяется n*t*тау, так что "бесплатное" увеличение n сказывается на качествах установки. Эту идею должны проверить на маленькой установке CAT, которую тоже ещё нужно сделать.

В сумме (фигура речи, на самом-то деле - в произведении) эти идеи, использованные в одной установке, дают (если работают!) возможность построить реактор, в разы дешевле, чем ИТЭР, и использующий в качестве топлива чистый дейтерий (без трития). Это тоже очень важно, и не только потому дейтерий дешевле лития и почти бесконечен. Дело ещё и в том, что исчезает возможность радиационных аварий (на ИТЭР нет риска загадить большие зоны, но вот загадить саму площадку ИТЭР - это вот вполне) и исчезает очень дорогая возня с тритием (это специальные меры для персонала и обучение, это радиохимический завод на сотни миллионов-миллиарды и т.д.).

Поэтому есть План. Общей стоимостью несколько десятков миллиардов рублей, но пока, на данном этапе - на миллионы. Смотреть снизу вверх: ГОЛ-3 и ГДЛ - это то, что есть сейчас. СМОЛА - это вот как раз винтовая пробка. "Хвост" - новая установка-плазмоприёмник, ныжна в том числе для исследований материалов. CAT и ГДЛ-2 нужны для опробования "пузыря". Ну а проект ГДМЛ должен сочетать их все (и может быть, именно даже будет частично составлен из имеющихся опробованных установок). Это последний шаг перед реальными, коммерчески-полезными машинами. 

DT ИН (источник термоядерных нейтронов для материаловедения и облучения - замена в том числе исследовательским ядерным реакторам); "Трансмутатор" - гибридная установка для выжигания ядерных отходов, наработки изотопов (в том числе плутония, если нужно, он там будет выходить дёшево и в силу потока - офигительного качества) и прочих таких применений нейтронов в товарных количествах; "Реактор" - реальная машина, которая должна давать электроэнергию.

При должном уровне финансирования, ГДМЛ мы могли бы иметь в 2014-м году и сейчас, возможно, строили бы реактор. На практике Новосиб достроил СМОЛА, в процессе "Хвост" и САТ. Возможно, несколько шагов из схемы будут пропущены - так растут технические риски, но программа будет дешевле.

Но всё вовсе не плохо.

Что плохо - это то, что Новосибирск не единственный работает над термоядом. Та же ТриАльфа работает (у них есть свой План и там лучшие спецы и технологии со всего мира), и работает быстро. Причём, что впечатляет, конечной целью на их плане стоИт не зажигание тритий-дейтерия (как у ИТЭР), не дейтерий+дейтерий, о чём пока лишь смутно мечтает Новосиб, а сверхсложная в достижении, но зато сверхвыгодная в использовании реакция бора с водородом. Мало того, что они строят планы - хайповатых оптимистов очень много в наши дни - пока они их выполняют в срок. Их установки строятся по одной каждые 2-3 года, и каждая даёт обещанные параметры. Конечной же точкой у них стоИт несколько десятков МВт бороводородный реактор размерами с железнодорожный вагон, с высоким КПД, не требующий биозащиты снаружи и стоимостью в десятки миллионов. Если это сбудется, энергетические проблемы Человечества будут решены раз и навсегда. Будем надеяться, что у Новосибирска к тому времени будет чем ответить.