Компактный термоядерный реактор: фантастика и бюрократия американских ученых

Создание эффективного термоядерного реактора для выработки электроэнергии уже более полувека остается недостижимой задачей, объединившей ученых множества стран, нескольких областей науки и технологий. Тем неожиданнее, что 12 октября 2019 г. американское Ведомство по патентам и товарным знакам (USPTO) одобрило поданную полтора года назад заявку на конструкцию не просто рабочего, но и компактного термоядерного реактора. Обладатель патента – ВМФ США – вызывает уважение. Система обещает совершить революцию в энергетике, транспорте, космонавтике, – практически где угодно. Если только она действительно работает.
Компактный термоядерный реактор: фантастика и бюрократия американских ученых

Фузор «профессора» Фарснворта

Управляемый термоядерный синтез обещает обеспечить человечество почти бесконечным источником «чистой» и безопасной энергии. Топливо для него – дейтерий – можно добывать из морской воды, и запасов хватит еще на миллионы лет. Сливаясь, ядра дейтерия выделяют огромное количество тепла, причем сама реакция не создает ни вредных отходов, ни риска взрыва. Однако для этого топливо необходимо удерживать в состоянии плазмы, при огромных давлениях и температурах. Поведение ее крайне нестабильно и непредсказуемо, требуя сложных и «прожорливых» средств контроля, да и те работают сравнительно недолгое время.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Все это делает существующие термоядерные реакторы – такие как токамаки и стеллараторы – очень сложными и дорогими установками. Вместе с тем, еще ни одному из них не удалось преодолеть ключевой в этой области критерий Лоусона и вырабатывать больше энергии, чем затрачивает сам инструмент. Физики активно (и не без успехов) совершенствуют и стеллараторы, и токамаки, однако ими выбор не ограничивается. Существуют и другие системы, теоретически, способные дать управляемую термоядерную реакцию.

Фузор
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Схема действия фузора Фарнсворта

Одной из них является магнитный фузор, впервые предложенный в 1960-х американским изобретателем Фило Фарнсвортом, который стал одним из создателей телевидения и – уже намного позднее – дал имя гениальному и безумному профессору Хьюберту Фарнсворту из сериала «Футурама». Система представляет собой полую, заземленную металлическую сферу, в которую закачивается разреженный дейтерий. В центре находится сферическая сетка из проводников, которая служит катодом. Высокий отрицательный заряд катода заставляет электроны отрываться от ядер дейтерия и «стекать» по внешней сфере. А положительно заряженные ядра устремляются к катоду, часть из них проскакивает сквозь сетку и сжимается в плотный сгусток плазмы.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Динамические фузоры Пэ

Фузор Фарнсворта – устройство настолько простое, что старшеклассники и студенты нередко собирают его в рамках учебных проектов. Немало с ним экспериментировали и «взрослые» ученые, хотя даже после множества усовершенствований фузоры так и не стали достойной альтернативой другим конструкциям. Ни одной схеме не удалось хотя бы приблизиться к критерию Лоусона, поэтому считается, что фузоры могут найти применение разве что в качестве источника нейтронов или изотопов, рождающихся в плазме.

Школьники
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Школьники из штата Вашингтон с самодельным фузором

Тем не менее, именно о такой конструкции говорится в патенте US20190295733A1 – устройство, якобы, способно выдавать от мегаватт до тераватт энергии при потреблении от киловатт до мегаватт. Из описания трудно сделать вывод о том, как разработчикам удалось добиться столь невероятного прогресса. По их словам, в системе используются «динамические фузоры», в которых подача дейтерия (или смеси дейтерия-ксенона) происходит через конусы, покрытые пьезоэлектрическим материалом.

Вибрирующие и вращающиеся в противоположных направлениях внутри вакуумной камеры, конусы создают в камере «концентрированный поток магнитной энергии и электромагнитного излучения», позволяя получать более плотную и горячую плазму. Все эти заявления напрямую приводят нас к вопросу о самих изобретателях – прежде всего, о разработчике из загадочного Отдела летательных аппаратов Центра морской авиации ВМФ США (NAWCAD) Сальваторе Цезаре Пэ (Salvatore Cezar Pais).

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Дейтерий

Поток патентов

Обозреватели уже заметили, что новая разработка Пэ опирается на эффект, описанный в его собственных предыдущих работах – «контролируемое движение зарядов за счет вибрации и/или ускоренного вращения». Судя по этим публикациям, такие токи способны создавать невероятно мощные электромагнитные поля, для которых изобретатель с завидной регулярностью находит самые невероятные области применения. Не далее как в 2017 г. он получил патент на высокотемпературную сверхпроводящую систему, сохраняющую нулевое электрическое сопротивление даже при комнатной температуре (US20190058105A1) – в ней также используется вибрирующий пьезоэлектрический материал.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

В том же 2017 г. Сальваторе Пэ и ВМФ стали обладателями патента на высокочастотный генератор гравитационных волн (US10322827B2), годом ранее – на летательный аппарат, в котором электромагнитные поля позволяют добиться снижения инерционной массы (US20170313446A1) – то есть, фактически, на «антигравитационный» двигатель. Судя по всему, изобретатель куда ближе к профессору из фантастической «Футурамы», нежели был сам реальный Фило Фарнсворт.

В самом деле, ни одна из его революционных концепций до сих пор не нашла воплощения в реальном физическом мире. В отличие от обычных патентов, которые должны описывать изобретения «на уровне внедрения» – то есть, в таких деталях, которых при обладании необходимыми знаниями достаточно для реализации новинки, – серия заявок от лица ВМФ и Пэ говорит лишь о «работоспособности», описывая технологии в общих чертах, чего, дескать, должно быть достаточно для того, чтобы подтвердить их реалистичность.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Бюрократическая фантастика

Однако и в таком виде они вызывают большие сомнения у экспертов патентного бюро и, насколько известно, заявки Пэ прежде не раз отвергались. В некоторых случаях одобрение происходило лишь после давления на ведомство со стороны ВМФ, с особым упоминанием Китая, который, якобы, грозит обойти США в таких «технологиях».
Некоторые обозреватели задаются вопросом, насколько связана друг с другом вся масса футуристических патентов, которые время от времени с таким трудом добывают себе американские военные. Туманное описание то одной, то другой прорывной технологии как будто намекают на скорое пришествие совершенно невероятных технологических прорывов – как указано в последнем патенте, «на суше, в воде, воздухе, космосе и за их пределами».

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Трудно сказать, что находится за пределами суши, воды, воздуха и космоса. И так же трудно поверить в то, что поток невероятных технологий – от генератора гравитационных волн до компактного реактора-фузора – является чем-то помимо выхлопов огромной бюрократической машины. В подобных зарегулированных системах то и дело возникают и развиваются самые странные процессы и явления, такие как расширение штата для создания комиссии по уменьшению штата – и фантастические патенты Сальваторе Пэ.

Александр Жуков
Александр Жуков 17 Октября 2019, 15:31
Итак, затраты на осуществление реакции обсудили, однако помимо затрат есть еще потери выходной мощности, получаемой вследствие реакции синтеза. Высокие потери этой мощности - это проблема номер 1, и основная причина почему классические фузоры очень далеки от практического использования в виде ТЯР. Мощность теряется: 1) на мощность самоподдерживания цепной термоядерной реакции (но это полезная мощность, которую мы хотим сохранить) 2) через потери проводимости 3) через потери на излучение - тоже полезная мощность, которую мы хотим снимать Итого, мы хотим избавиться от потерь проводимости вследствие столкновения ионов плазмы с катодом в классическом фузоре. В данном патенте не раскрываются детали решения этой проблемы, и даже конструкция нарисована предельно схематично, чтобы случайно не раскрыть этот секрет. Тем не менее, тот кто умеет читать между строк, даже из того описания конструкции сможет понять, что американские исследователи пытались избавиться от нее как минимум двумя способами: 1) За счет изоляции катодов от ионов плазмы с помощью пьезоэлектрического эффекта. Если объяснять простыми словами, то на дальней дистанции катод притягивает атомы дейтерия, а на близкой дистанции, чтобы ион не столкнулся с катодом, а пролетел мимо, используется как раз пьезоэлектрический эффект, т.е. катод становится анодом в нужный момент времени, контролируемой электроникой. 2) за счет разделения спина и заряда в сверхпроводниках, конечная цель которого также создать отталкивающий эффект вблизи катода за счет обмена фононами.
Александр Жуков
Александр Жуков 17 Октября 2019, 14:35
Для расчета параметров состояния плазмы в ТЯР наиболее эффективным являются методы класса Монте-Карло, которые даже учитывая их возможности проводить высоко параллельные вычисления, тоже очень плохо просчитываются на нынешних суперкомпьютерах. Конечно, алгоритмы совершенствуются, в России тоже ведутся работы по этой теме и у нас есть свои патенты по расчету к примеру, двухкомпонентной плазмы. Но настоящим ответом на проблему вычислений становятся квантовые компьютеры, с помощью которых например уже сейчас гораздо более эффективно рассчитывается гамильтониан функции Шредингера. С увеличением количества частиц, решение задачи о кулоновском рассеянии требует все больше кубит, однако этот процесс не растет экспоненциально как в случае вычислительных мощностей классических суперкомпьютеров. Я не берусь оценить сколько кубит нужно для расчета реакции в ТЯР, но могу предположить, что заявленные успехи как Американских, так и Китайских ученых связаны именно с прогрессом в использовании квантовых компьютеров.
Александр Жуков
Александр Жуков 17 Октября 2019, 14:35
Теперь ответим на вопрос - для чего нам управлять плазмой в ТЯР? Помимо изоляции от стенок реактора, мы хотим повысить КПД установки, а это значит создавать ровно ту напряженность, которая необходима для стабильной реакции и ровно в нужные моменты времени. Без этого КПД установки снова будет ниже критерия Лоусона. Если мы построим машину, нужно научиться правильно на ней ездить. Фило Фарнсворт стал знаменитым не потому, что он теоретически обосновал возможность создания ЭЛТ трубки, а потому что помимо прочего, первым научился ей управлять и выдал изображение символа доллара. С точки зрения плазмы, каждая наносекунда, пикосекунда - это целая эпоха, в которой проходит множество реакций. Мы должны понимать ее текущее квантовое состояние, как она себя ведет и как будет вести себя в будущем для того, чтобы посылать управляющее воздействие на установку. Одного лишь измерения макропараметров вроде электронной температуры, плотности сжатия, недостаточно. Нужно знать состояние сталкивающихся частиц, параметры типа вероятности селективной рекомбинации ионов плазмы в результате перезарядки на менее заряженных ионах и десятки, а может сотни других параметров. Существующие модели расчета состояния плазмы являются лишь упрощенной моделью, их применимость сильно зависит от самих установок, на которых была получена модель. Плюс детерминистические методы расчетов являются неэффективными как с вычислительной точки зрения, так и по точности расчетов в среде, где проявляются вероятностные квантовые эффекты. Судя по другим публикациям автора патента, и опыту работы, он как никто другой должен хорошо понимать эту проблему и искать пути решения.
Александр Жуков
Александр Жуков 17 Октября 2019, 14:33
В токамаках классической конструкции достигнуть такой плотности как в звезде не получится - остается повышать температуру. К примеру, в реакторе ИТЭР температура должна достигать 150 млн С, в 10 раз выше, чем в ядре Солнца. Однако, фузоры также имеют одно преимущество перед токамаками: они гораздо эффективнее создают компрессию, что делает возможной реакцию синтеза при более низкой температуре. Есть и другая крупная нерешенная проблема классической конструкции токамаков, под названием "большой срыв/disruption", но углубляться в нее сейчас не будем. То есть проблемы есть у любого типа конструкций ТЯР, просто они другие. Но вернемся к основной проблеме фузоров. Переменное магнитное поле как мы знаем, можно создать не только сменяя полярность тока, что невозможно в фузорах по понятным причинам. Изменять силу тока недостаточно для управления плазмой, а кроме того, это приводит к явлению самоиндукции. Поэтому в данном проекте переменное поле создается движением самого проводника: вращением по осям конусов, а также вибрацией самих конусов. Это и называется "динамическими фузорами". Это позволяет снизить энергозатраты на создание необходимого уровня напряженности магнитного поля в центре ловушки. А кроме того, управляя параметрами частоты вращения, частоты и амплитуды вибраций, становится наконец возможным управлять плазмой.
Александр Жуков
Александр Жуков 17 Октября 2019, 14:32
Как известно, основная проблема кроется в том, что КПД установки в миллионы раз меньше затраченной энергии. Происходит это потому, что энергия, которая затрачивается для создания необходимой напряженности в центре ловушки расходуется крайне неэффективно. Напряженность в классическом фузоре создается статическим полем, на создание которого нужно затратить гораздо больше энергии, чем при использовании переменного поля. Если объяснять доступно, то можно привести аналогию с постоянными магнитами и электромагнитами переменного тока, которые могут создавать гораздо большую напряженность поля. Это одна из тех причин, почему токамаки считаются более перспективным направлением, ведь они используют переменное магнитное поле, которым можно управлять. Для того, чтобы произошла реакция синтеза, атомы должны сблизиться на достаточную для этого дистанцию, чтобы участвовать в сильном взаимодействии. Но поскольку они обладают одинаковым положительным зарядом, атомы отталкиваются. Чтобы они не смогли оттолкнуться, атомы должны иметь достаточную скорость. Один из способов увеличить их скорость - повысить температуру. Другой способ - повышать концентрацию, т.е. плотность плазмы (компрессию). В звезде под действием гравитации создается очень высокая плотность, но на земле мы можем делать это только электромагнитным полем.
Александр Жуков
Александр Жуков 17 Октября 2019, 14:31
в комментах ограничение по символам, поэтому разобью на части: Спасибо за интересные новости, но хочу немного вступиться за само изобретение и за автора патента. Видно, что статья написана скептиком, но критика не очень конструктивная, поскольку относится не к самому проекту, а критикуется "бюрократическая система", допустившая регистрацию неправдоподобных патентов по мнению автора новости. Поэтому предлагаю посмотреть, почему же фузор Фарнсворта до сих пор не нашел применения для использования ТЯ для генерации электроэнергии, и какие конкретно недостатки исправляет данный проект.
konstanzhoglo
konstanzhoglo 18 Октября 2019, 21:25
забавно как малограмотные холуи восторгаются и готовы верить в любой бред хазяев.
Юрась Літоўскі
Юрась Літоўскі 17 Октября 2019, 09:52
Когда Тесла изобрёл систему переменного тока, тогда смогли передавать электроэнергию на значительные расстояние, а далее радио, радар, беспроводное электричество, и все на идеи «вибрации" тока. Так что американцы скорее всего знают больше, чем кажется, и патентование-это всего лишь необходимость защиты от копирования, и удержание технологического преимущества. Подробный патент, это подсказка, тем кто в теме. Кто знает, что они там втихаря мастерят щас.