В дополнение к предыдущим публикациям, официальная оценка проекта LM исследовательским центром имеющим отношение к оборонной тематике. Begin-Sadat Center for Strategic Studies.  Прогноз Центра BESA No. 909.

Рафаэль Офек, подполковник, сотрудник Центра BESA

Американская корпорация зарегистрировала патент компактного термоядерного реактора

Рафаэль Офек, подполковник, сотрудник Центра BESA

Прогноз Центра BESA No. 909, 29 июля 2018 года Американская корпорация Lockheed Martin, ведущая разработки в сфере передовых технологий, 15 февраля получила патент на революционный дизайн для «компактного термоядерного реактора» (КТР, Compact Fusion Reactor — CFR). Это мобильное устройство, которое может быть установлено на грузовиках, самолетах и кораблях.

Разработка КТР стартовала в 2010 году в г. Палмдейл, штат Калифорния. Похоже, что проект продвигался быстрее, чем ожидалось ранее, поскольку на момент начала работ руководитель проекта д-р Томас Макгуайер (Dr. Thomas McGuire) заявлял, что задача состояла в том, чтобы получить работающее устройство через пять лет, а расчеты для коммерческого производства реактора — в пределах десяти.

Два прототипа КТР были представлены корпорацией Lockheed Martin 25 декабря 2017 года. Первый — T4B — имеет размеры два метра в длину и один метр в диаметре при весе примерно в 20 тонн. Он способен производить один мегаватт энергии. Второй прототип — TX — достигает 18 метров в длину, семь метров в диаметре и весит примерно 2 000 тонн. Мощность TX — 200 мегаватт. При этом в Lockheed Martin полагают, что вес TX удастся сократить до 200 тонн.

Действие реакторов основано на термоядерном процессе, при котором ядра атомов водорода сливаются и высвобождают огромное количество энергии. Наше солнце, фактически, представляет собой очень мощный термоядерный реактор в котором реакции слияния ядер водорода происходят благодаря чрезвычайно высоким температурам и давлению — в условиях, при которых преодолевается электростатическое отталкивание между протонами внутри этих ядер.

В условиях Земли термоядерная реакция возможна только между дейтерием и тритием, самыми тяжелыми изотопами водорода (D-T fusion). Дейтерий, ядро которого содержит один протон и один нейтрон, весьма распространен на Земле — один его атом приходится на каждые 6 700 атомов воды. К тому же, он стабилен в радиоактивном отношении. А вот тритий, атом которого содержит один протон и два нейтрона, радиоактивен; период его полураспада составляет 12,3 года. На Земле в естественном состоянии тритий найти невозможно, но его можно получить путем облучения лития нейтронами (tritium breeding — воспроизводство трития — С.Д.).

Человечеству удалось обуздать термоядерную реакцию в целях разрушения, когда было создано термоядерное оружие, которое иначе называется водородной бомбой. Водородные бомбы по своей мощности могут в сотни или даже тысячи раз превосходить атомные, подобные тем, которые были сброшены на Японию во время Второй мировой войны, поскольку энергия, высвобождаемая при термоядерной реакции безгранично больше той, что образуется при распаде тяжелых ядер урана или плутония.

Помимо масштабов выделяемой энергии, термоядерный процесс имеет дополнительные преимущества при использовании его в целях производства энергии. Во-первых, дейтерий легко получать путем дистилляции обыкновенной морской воды — неисчерпаемого источника. В этом его отличие от урана, необходимо для реакции деления. Уран значительно менее доступен, и его извлечение довольно сложно. Кроме того, металлический литий также в изобилии встречается и в земных породах, и в морской воде. И наконец, гелий, который получается во время реакции слияния, не радиоактивен — в отличие от радиоактивных отходов, производимых при ядерном делении. Ядерные отходы имеют длительный период жизни и требуют специальных операций по обращению с ними, их утилизации и захоронению.

Процесс перехода от военного применения ядерного деления во время Второй мировой войны к ее использованию в мирных целях был довольно быстрым. Уже в первой половине 1950-х годов реакцию ядерного распада начали использовать для получения электроэнергии. Однако, переход военного использования реакции синтеза к ее гражданскому применению был значительно более медленным. И хотя первые испытания взрывного термоядерного устройства Соединенными Штатами были проведены 1 ноября 1952 года, усилия по обузданию термояда для производства электричества плодов не давали. До настоящего момента.

Недостатка в попытках не было. На протяжении многих лет в исследования, призванные сделать возможным контролируемое высвобождение энергии синтеза, были вложены миллиарды во многих странах мира. Движущий мотив для реализации идеи применения термоядерной реакции в целях производства электроэнергии состоял не только в том, чтобы получить громадное количество энергии, производимой при процессе синтеза, но также и в том, что энергия эта будет чистой — без каких бы то ни было побочных продуктов в виде долгоживущих радиоактивных отходов.

Зачинателями работ в этом направлении в 1950-х годах стали советские физики Игорь Тамм и Андрей Сахаров, которые изобрели тороидальное термоядерное устройство, названное «Токамак». Это устройство представляет собой трехмерное концентрическое кольцо, в котором поддерживается очень высокой температуры плазма дейтерия и трития, заключенная в мощных магнитных полях. Первый «Токамак» вступил в строй в 1958 году, но он до сих пор не настолько зрел, чтобы его можно было использовать в технологических и коммерческих целях.

Те прототипы коммерческих реакторов типа «Токамак», которые разрабатывались на Западе, особенно в США, либо производили энергии меньше той, что необходима для разогрева плазмы до желаемой температуры, либо испытывали проблемы со стабильностью. Все они не соответствовали ожиданиям, несмотря на громадные инвестиции. ДЖЭТ (Объединённый европейский токамак​, JET — Joint European Torus), построенный в Британии, по состоянию на конец 2014 года обошелся в пол-миллиарда долларов. TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor), построенный в США, стоил неизвестное количество миллиардов долларов. (Проект международного экспериментального термоядерного реактора — С.Д.) ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), построенный во Франции, как ожидается, начнет работать в 2025 году. Общие затраты на ITER оцениваются от 22 до 50 миллиардов долларов. По состоянию на июнь 2015 года в него было вложено 14 миллиардов долларов.

В дополнение к «Токамаку» были и устройства других дизайнов, основанные на других процессах, цель которых также была заставить термоядерную энергию работать в целях производства электричества. Но все они были безуспешны. В 1980-х годах одна израильская компания изучала возможность строительства термоядерного реактора для целей электрогенерации в пустыне Негев, но проект оказался нереализуемым. (Подробнее — см. докторскую диссертацию автора «Interactions of D-T neutrons in graphite and lithium blankets of fusion reactors: measurements and calculations», Ben-Gurion University of the Negev, May 1986.)

После того, Lockheed Martin зарегистрировала патент на КТР, д-р Макгауйер дал вэб-сайту «The War Zone» (Зона боевых действий — С.Д.) интервью, в котором он объяснил, что тороидальная геометрия, реализованная в устройстве «Токамак», ограничивает интенсивность давления магнитного поля, которую можно приложить к плазме дейтерия и трития. Аналогией могли бы стать камеры велосипедных колес, которые взрывались бы, если бы их перекачали. Прорыв Lockheed Martin произошел в результате того, что на их устройстве была применена намного более сложная геометрия. Она состоит из ячейки плазмы и сверхпроводимых магнитных полей, приложенных к плазме, что намного повышает эффективность процесса. Как выразился Макгауйер, «вместо того, чтобы велосипедная камера расширялась в воздухе, у нас нечто, похожее больше на трубку, которая расширяется внутри стенки, которая становится все крепче». Он добавил, что эта система регулируется самонастраивающимся механизмом обратной связи, при котором чем дальше идет плазма, тем сильнее магнитное поле давит на нее, чтобы ее сдерживать.

На сегодняшний день отсутствует опубликованная информация об экономических аспектах КТР — объемы средств, которые Lockheed Martin инвестировала в этот проект, ожидаемая цена различных моделей КТР или их эксплуатационные расходы. Однако, основываясь на той информации, которую компания разгласила, представляется, что издержки были довольно низкими.

Более того, согласно оглашенной информации, Lockheed Martin рассматривает свой реактор как многоцелевой, имеющий многочисленные сферы гражданского применения:

• — 100-мегаваттный КТР, который может быть установлен на грузовике, будет в состоянии обеспечить электроэнергией город с населением в 80 000 — 100 000 человек. По оценкам Lockheed Martin, такому устройству потребуется загрузка примерно 12 килограмм дейтериево-тритиевого топлива, чтобы реактор работал один год;
• — КТР мог бы в неограниченных количествах и при низких затратах обеспечивать электроэнергией отдаленные регионы развивающихся стран;
• — КТР можно было бы использовать по низким расценкам для опреснения морской воды и очистки загрязненной воды. По оценкам компании, издержки на опреснение могут быть снижены на 60%;
• — КТР мог бы быть установлен на морских судах, что позволило бы им ходить по морям на неограниченные расстояния;
• — КТР мог бы быть установлен на гражданских или военных транспортных самолетах — таких, как C-5 Galaxy ВВС США, — что позволило бы использовать их на неограниченные расстояния при беспрецедентных износостойкости и долговечности, расходуя водородное топливо в объемах всего в несколько бутылок в год; и
• — КТР мог бы ускорить процесс разработки программ космических полетов на большие расстояния.

Более того, согласно опубликованной информации, КТР может иметь ряд направлений военного применения:

• — установка КТР на подводные лодки даст им возможность перемещаться на значительно больших глубинах, чем сейчас. Размеры и вес КТР будут существенно ниже тех реакторов, работающих на обогащенном уране, которые стоят на сегодняшних подлодках;
• — станет возможным оборудовать авианосцы класса Nimitz 100-мегаваттными КТРами, чтобы продлить время их нахождения в океане;
• — как уже было упомянуто, установка КТР на транспортные самолеты позволит им находиться в полете гораздо дольше и летать гораздо дальше. Таким образом, станет легче перебрасывать войска в регионы напряженности в любой точке мира;
• — Lockheed Martin работает над тем, чтобы, кроме прочего, устанавливать КТР на истребители. Это будет означать, что, будучи сбитыми или пострадавшими в результате аварии, эти самолеты не будут представлять опасность в виде радиации; и
• — станет возможным устанавливать КТР на беспилотники с тем, чтобы позволить им находиться в воздухе весьма продолжительное время и вести патрулирование бесконечно.

Если надежды Lockheed Martin в отношении КТР будут реализованы, то страх перед катастрофическим исчерпанием глобальных энергетических ресурсов уйдет в прошлое, и человечество будет проживать в окружающей среде, не загрязненной в результате производства энергии.

Перевод Серегя Духанова, «Свободная пресса», 01.08.2018\

Lockheed Martin’s Compact Fusion Reactor

A sketch of the plasma geometry and magnetic coils inside an early model of Lockheed Martins' compact fusion reactor. This design has since been superseded with a model using only two main cusps. Image from McGuire, Thomas, The Lockheed Martin Compact Fusion Reactor, via Wikimedia CC

BESA Center Perspectives Paper No. 909, July 29, 2018

EXECUTIVE SUMMARY: Lockheed Martin recently registered a patent on a revolutionary design of a Compact Fusion Reactor (CFR), a mobile device small enough to be mounted on a truck. One version is designed to produce 100 megawatts, enough to power a city of 100,000 people. The CFR, which provides clean energy without producing radioactive waste, has both civil and military applications. In principle, it can be installed on large aircraft carriers, submarines, large transport planes, and probably also fighter jets and large drones. If Lockheed Martin’s hopes are realized, the fear of global energy scarcity will become a thing of the past, and mankind will have the benefit of an environment unsullied by energy pollution.