Инженер-электронщик
97,4
рейтинг
8 августа 2015 в 12:38

Генерал Фузион

Сегодня я расскажу про один альтернативный проект создания реактора управляемого термоядерного синтеза, который лично мне нравится за свою абсолютную инженерную непохожесть ни на что. Речь пойдет о канадском стартапе General Fusion, существующем уже больше 10 лет и собравшем за это время порядка 100 млн долларов на свои разработки.

image

Сооснователи компании Doug Richardson (слева) и Michel Laberge (справа) на фоне плазменного инжектора для своей машины.

А теперь послушайте, на какую идею можно насобирать столько денег. В сферическом реакторе GF сотня мощных паровых молотов, расставленных по периметру будет синхронно ударять во вращающуюся трехметровую «каплю» из расплавленного свинца, что бы сформировать сходящуюся сферическую волну. В центре капли остается вертикальный канал в который инжектируются плазменные вихри из дейтерий-тритиевой смеси. Точно расчитанная работа системы приведет к сжатию ровно в центре плазменного образования жидкометаллической стенкой и произойдет термоядерная реакция, в ходе которой выделится эквивалент взрыва нескольких сотен килограмм тротила.

image
Опытная сфера с 14 паровыми молотами, на которой проверялся принцип формирования сходящейся ударной волны.

image
Проектное изображение энергетического реактора на этом принципе и последовательность его работы.

Схлопывающаяся жидкометаллическая оболочка вокруг плазменных вихрей рассматривалась в качестве драйвера термоядерной реакции еще в 70х, в концептуальной установке LINUS. Однако 70е...80е — это было время наступающей победы токамаков, первых установок, достигших проявления термоядерных реакций. До LINUS руки не дошли.


Оригинальный концепт LINUS, 1979 год

А вот в 90е годы, когда началось разочарование токамаками, и магнитными ловушками вообще, две альтернативные ветки термоядерных установок, основанные на инерциальном синтезе (“лазерный термояд”) и менее известной идее сжатия замагниченной плазмы (к этому направлению например вот эта группа проектов, в т.ч. известный MagLIF, разнообразные pinch-установки и т.п.) получают развитие. При этом, если инерциальный синтез быстро получает поддержку военных, (т.е. условия в мишени получаются близкими к тем что есть в термоядерном оружии), то сжатие замагниченной плазмы (СЗП дальше) становится меккой для стартапов. Самыми известными из них являются Tri Alpha Energy, Helion Energy и вот пожалуй General Fusion.


Работа плазменного инжектора. Видно, что еще до финальной компрессии жидким металлом плазму сжимают в несколько раз, поднимая температуру до 2 млн градусов и плотность до 0,06% от необходимой для термоядерной реакции.

Установка General Fusion планируется как импульсная — один термоядерный микровзрыв раз в 2 секунды. Большим преимуществом по сравнению с другими импульсными установками является отсутствие расходуемых элементов (холраумов, лайнеров, картриджей и т.п.) — нужна только плазма и свинцовая капля. При каждом взрыве будет производиться 720 мегаджоулей тепла, которое будет поглощаться жидким металлом и отводиться на парогенератор через теплообменник.

image
Проектное изображение энергетического реактора. Синие элементы — высоковольтное питание плазменных инжекторов.

Часть пара будет работать драйвером паровых молотов, а часть вырабатывать 65 мегаватт электричества на турбогенераторе. Разумеется, в настоящей установке понадобится еще довольно мудренная система высоковольтной запитки плазменных разрядников, очистки свинца, размножения трития (GF считают, что это можно сделать путем подмешивания лития в жидкий свинец. Поглощая термоядерные нейтроны он будет разваливаться на гелий и тритий), но до всего этого еще надо дожить. В целом, если ключевой момент — термоядерный поджиг — будет реализован, на фоне других концептов реакторов УТС это будет прорыв в плане простоты и дешевизны.


Текущая установка GF с жидкометаллической петлей, на которой в 2013 году получены сферические имплозии нужного качества.

Однако ключевой проблемой всего этого направления, и машины GF в частности является развитие неустойчивостей, которые не позволяют концентрировать энергию до нужных значений, а бесполезно рассеивают ее вокруг. Любые несимметричности и неточности в обжатии приведут к тому, что положительного выхода энергии с этого стимпанковского монстра не получится. Эта проблема в тех или иных видах на данный момент успешно похоронила не один десяток концепций. Тем не менее, детище Майкла Лаберже прошло множество проверок на ранних, модельных этапах, с открытыми обсуждениями научными сообществом полученных результатов. Именно такой подход и позволил привлечь множество серьезных инвесторов (в т.ч. основателя Amazon.com Джефа Безоса).

image
Настройка плазменного инжектора для тестов.

Пока GF полны оптимизма, хотя не смотря на успешное создание полноразмерных прототипов всех элементов машины (паровых молотов, сферы с жидким свинцом, разрядников — генераторов плазменных вихрей) и даже самой машины уже два года как не показывают никаких результатов, что скорее всего сигнализирует о том, что как и десятки других концепций в этом поле GF столкнулись с большими сложностями на пути концентрации энергии.
Валентин @tnenergy
карма
131,0
рейтинг 97,4
Инженер-электронщик
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (59)

  • +17
    Круто, спасибо. Больше статей о науке и разработках хотелось бы видеть на гиктаймс.
  • +8
    Вот это я понимаю стимпанк, а не бесполезные медные игрушки!

    А что будет, если «что-то пойдет не так»? Как они собираются реакцию останавливать?
    • +8
      Термоядерная реакция сама остановится.
      • 0
        Главное что бы перед этим не разворотило всё. Хотя там вроде масса топлива мизерная.
        • +2
          720 мегаджоулей = 200кг в тротиловом эквиваленте. Бабах может быть неслабым.
          • 0
            Там не бабах, там нагрев. Нагрев это относительно слабый для такой массы.
            • +1
              Так и атомный взрыв — это просто нагрев маленького шарика, за какие-то наносекунды.
              • +13
                Ну вы сравните десятки (если не сотни) тонн свинца и 720 мегаджоулей и десятки килограмм тяжелых металлов и 80 тераджоулей (для 20 кт). Все таки 9 порядков разницы в удельном энергосодержании — это 9 порядков.
            • +1
              Ну, насколько я понял, там именно бабах. Ибо вся реакция проистекает в малом объёме в центре шарика. В общем, у меня получилось так — 160 тонн свинца либо разгонится до 69 м/с, либо нагреется на 37 градусов.
              • +2
                Там не бабах, там нагрев. Термоядерная реакция, с точки зрения макрообъекта — суть гамма-лампочка (вспышка). Излучение поглощается материей и материя нагревается. Термоядерная бомба — просто очень мощная лампочка, в условиях атмосферы бомба разогревает окружающее в-во, которое уже начинает разлетаться и создавать визуальные эффекты (та самая огненная сфера). В вакууме динамика совершенно другая, огненной сферы нет, т.к. нечему нагреваться.
                Что забавно — взрыва кузькиной матери (самой мощной бомбы) едва ли хватит, чтобы растопить кубокилометр льда (с температурой 0 градусов).
    • +1
      Скорее всего, она сама прекратится без подпитки — там же очень мало топлива используется для одного «бум». Так что «БА_ДА_БУУУУМ» не получится в силу конструктивных особенностей.
    • +2
      Реакция и так каждый раз проходит до самого конца — там нечего останавливать.
    • +1
      Двадцать первый век на дворе… а все тоже — вода → пар → генератор.
      • 0
        Перспективно выглядит только МГД-генератор (КПД будет около 70-80%, а у пары пар-турбина КПД вроде 5-15%). Но нужно добиться сначала без нейтронных реакций, которые в сто и более раз сложнее чем нейтронная D-T.
        В нейтронных реакциях бОльшую часть энергии забирает бесхозный нейтрон, от которого нет толку. Но мало того, он ещё и разрушает вольфрамовую оболочку реактора и «радиоактивизирует» вольфрам.
        • 0
          >МГД-генератор (КПД будет около 70-80%, а у пары пар-турбина КПД вроде 5-15%).

          Паросиловой цикл (Ренкина) с современным оборудованием — 35-40% кпд, МГД генератор примерно столько же, только их теоретически можно надстроить один на другим и получить те самые 70%. Только вот МГД-генераторы, не смотря на гигантские усилия в 60х-80х так и не были доведены до промышленного уровня — победили в итоге парогазотурбинные установки с термическим кпд до 60%.

          Я, кстати, писал про D+He3, как основной вариант безнейтронного УТС.
          • 0
            Хм. Про парогазотурбинные не слышал. А по КПД застрял видимо в годах 60-70)
            Но таки МГД-генератор как решение выглядит как-то красивее и логичнее. В реакции D-He3 должно дать больше энергии, чем D-T, да ещё и без побочных эффектов. В D-T 3.5 MeV + куча ненужной кинетической от нейтрона. А в D-He3 все 15 MeV можно пустить в МГД-генератор и в конечном итоге добиться большего выхлопа энергии.
            • 0
              Как-то вы все время упускаете цену достижения тех или иных, теоретически замечательных, вещей. :)
              • 0
                Да-да, просто хотелось бы увидеть что-то подобное лет через 30-50, было бы замечательно :)
  • 0
    Вот, что интересно — как они канал в этой капле делают?
    • +3
      Раскручивают. На рисунке даже стрелки есть.
  • +1
    Гораздо лучше, чем фото отчет о стройке ИТЭР. Ловите плюс в карму и к статье.
    • +2
      Спасибо. Тот пост, наверное, можно считать притиркой. Если бы вы вдруг читали последний год мой блог про ИТЭР, то фотки были бы в самый раз :)
      • +2
        И от меня плюсы. В основном «за прошлые заслуги» — читал больше десятка хороших статей еще в вашем ЖЖ по термояду/атомной энергетике, но там плюсы ставить некуда было :)

        Ну и добро пожаловать на ГТ! Тут такие авторы определенно нужны (я только сейчас обратил внимание, что теперь вы тут писать стали)
        • 0
          Поделитесь ссылкой на ЖЖ, пожалуйста.
  • –2
    Ну были проведены опыты, вначале на воде, вибраторы по всему периметру генерировали волны. Затем то же самое на ультра-звуковых волнах, на пластинке. Выводы — стоячую волну получить можно но только на доли микросекунд и с искажениями (от формы вибраторов).

    Могу предположить, на основании этих опытов (которые стоили всего несколько тысяч долларов и пару месяцев работы), что не чего у этих ребят не получиться на их установке за 100 М. Так как нет математики достаточно хорошей, чтобы побороться с дисперсией волн.
    • 0
      У них тоже были опыты на воде с весьма неплохими результатами и даже с тяжелой водой они получили выход порядка 10^5 нейтронов (без всякой плазмы, чисто на имплозии воронки в центре).
      • 0
        В смысле только на реакциях дейтерий-дейтерий из состава тяжелой воды, без добавления трития(или сверхтяжелой воды)?
        • 0
          Да, только на D+D при коллапсе сходящейся сферической волны, которую получали с помощью мощных разрядников. Конкретно цифру сейчас посмотрел — они считают что верхний предел выхода 50 тысяч нейтронов. Нейтроны тут нужны для проверки качества имплозии, кроме того, они смотрели на это качество и другими методами.
          • +1
            Интересно!

            Странно почему тогда заявления о слабых признаках синтеза при прихлопывании пузырьков во время кавитации усиленной ультразвуком, с использованием в воде трития (реакцию с которым на порядок проще осуществить чем D+D) чуть ли не лженаукой считают?
            Статья в тему с обзором нелегкой судьбы этого направления: Приключения термояда в пузырьке
            Только из за похожести на фальсификацию с «холодным термоядом в пробирке» и предубеждений «этого не может быть, потому что не может быть никогда»?
            • 0
              Ну в общем, есть общее ощущение, что динамические системы с сильными градиентами неустойчивы принципиально и выше некоторых концентраций энергии прыгнуть не смогут. А дальше начинается вот эта катавасия, в которой замешаны и фальсификации, и политика и бог знает что. Если бы эффект был посильнее, наверное и предубеждения особого не было бы.
      • 0
        Вот это хорошая идея — воронка. Те опыты, о которых у меня есть отчёт, не использовали воронки. Воронка сама по себе стабилизируется и квантуется (разделяется на мелкие воронки).
    • 0
      В своё время слышал про интересные результаты при схлопывании кавитационных полостей и полостей пара, образовавшихся после взрыва в воде. Но про достоверность не скажу. Знаю, что было опубликовано, но в где, с какой экспертизой, пробовал ли кто-то повторять, фиг знает.
      • +1
        Тут обзор смежных работ: elementy.ru/lib/432660
        Почему-то их все-время долбают как обман/лженауку, хотя ничего невероятного в них нет.
  • +12
    Среди всех современных проектов этот выгодно выдеяется обилием сияющей бронзы, гидравлических стыков и болтов. Ещё нужны аналоговые анемометры, большие рукоятки для управления и пневмопочта.

    Фанаты 18ого века будут в восторге.

    Ах, ну ещё и свисток сверху, тоже на паровом приводе.
    • +2
      Пар, как самое главное, уже есть, остальное прикрутить за пару-тройку вечеров можно :)
      • +7
        Пар вообще самое главное. Думаю, если через 1000 лет люди научатся добывать энергию из нестабильности пятимерного шва между измерениями, всё равно будут нагревать воду и крутить турбину паром.
        • 0
          Смотря в каком виде она их этого «шва» будет извлекаться. Если в виде тепла — то, вполне вероятно что без пара и там не обойдемся :)
          Ну а как иначе без тепловой машины, если сама энергия в виде тепла?

          А так-то уже полно методов где без пара(и вообще тепловой машины) обходится — солнечная энергия (фотовольтаика) — преобразование прямее некуда, ГЭС(традиционные + экзотика типа приливных и волновых), ветровая, потенциально еще осмотическая
  • +15
    Нда, паровой термоядерный реактор — это прекрасно…
    • 0
      Так ведь все атомные реакторы — паровые. Что же велосипед изобретать.
      Ну, можно на эффекте Зеебека сделать, как в РИТЭГах, только КПД там маленький.

      Кстати! Почему АЭС без блеска меди и манометров, без учёных во фраках и лорнетах? Вот где упущение.
  • 0
    Думаю, что у них не получится синхронизировать удары всех молотов.
    • 0
      Кстати, на слайдах у них есть «ачивка» — средний разброс генерации ударной волны от тригера — 5 микросекунд. Не очень понимаю, как это возможно, но при скорости движения ударной волны в свинце-литии 2,6 км/с это соответствует точности 13 мм. Видимо этого хватит.
      • 0
        Очень сомневаюсь что этого хватит, но дай бог, чтоб получилось. Полагаю нужно какое то специальное решение для повышения точности. Скажем, подбор индивидуальный параметров настройки для каждого молота с учётом положения и индивидуальных параметров. Вопрос на сколько эти параметры макрообъекта (молота) стабильны (одинаковы для серии измерений). Получается что после каждого использования молота, параметры будут меняться, так же будут зависеть от температуры отдельных частей установки. IMHO
  • 0
    А чем это лучше лазерного термояда?
    • +2
      Лазерный термояд не имеет отношения к энергетике, это установки для верификации расчетных кодов, которым термоядерное оружие считают.
    • 0
      Как минимум на порядок (раз в 10) лучшим КПД «системы зажигания».
      В лазерном тепловую энергию нужно сначала преобразовать в электричество (на чем сразу потерять процентов 60% выделившейся энергии), а потом полученной эл.энергией запитывать лазерные установки с КПД что-то около 20% (еще 80% энергии потеряли от того, что осталось с предыдущего этапа тепло-энергия), да и на последней стадии где собственно лучи бьют в мишень большая часть уходит в тепло, а не на сжатие топлива.

      Тут же молоты приводятся в действие напрямую от тепла (нагретого пара) и при ударе энергия уже в нужном виде, т.е. механическом — ударная волна в жидком свинце.
  • +5
    Глядя на грандиозность конструкции мерещится вот такое:

  • 0
    А почему вместо молотов просто не взорвать что либо?
    Проще и отработано в ядерных бомбах
    • +2
      Такую идею давно продвигают сотрудники ВНИИТФ из Снежинска (разработчики ядерного оружия). Называется «Котел взрывного сгорания». Проблем у этой идеи столько, что дальше идеи она никогда не заходила, и начинаются они с того, что если мы хотим энергию получать от термоядерной реакции, а не от ядерного инициатора, то мощность взрыва должна быть на >50 килотонн, что сразу несколько удорожает камеру для снятия энергии…
    • 0
      то же сразу об этом подумалось. Вместо молотов на пару, можно использовать некое топливо, равномерно окутывающее шар. Почти что ДВС, технологии впрыска, зажигания отработаны.
    • 0
      Взрывают. Учёные из Национальной лаборатории Лоуренса на проводят эксперименты на National Ignition Facility (NIF) — мощнейшей лазерной установке. По сути они взрывают микрокапсулу с топливом при помощи лазерного импульса. В сентябре 2013 года впервые достигли положительного баланса в термоядерной реакции (подразумевается баланс энергии самой реакции, без учёта потерь на входе и практической примененимости на выходе).
      • 0
        Я бы уточнил, что они получили подогрев от термоядерной реакции в 17 килоджоулей при вложении в мишень 10 килоджоулей. Интересна последняя цифра — это некая доля от рентгеновского излучения холраума, которая получается при попадании на него примерно 1,8 МДж лазерной энергии, сгенерированной установкой. Т.е. от лазера до мишени кпд 0,5%. Но и это еще не все, для генерации 1,8 МДж лазерной энергии нужно потратить порядка 200 мегаджоулей энергии из розетки (правда тут учитывается работы системы охлаждения и т.п.), тут опять 0,9% кпд.
        • 0
          А почему у лазерной установки такой КПД жутко низкий? У обычных(оптических, инфракрасных) лазеров же уже на порядок выше КПД доступен.
          Это все рентгеновские насколько хуже оптических или это все из-за заморочек с необходимым крайне высоким уровнем синхронизации?
          • 0
            Я не нашел быстро расклад по потерям лазера NIF, но по памяти там было так — кпд лазера от розетки до излучения — 10%, кпд конверсии 50%, кпд оптической системы 90%. Т.е. на один выстрел тратится 40 мегаджоулей. Остальное — работа вспомогательных систем, шоты-то не так часто.
            • 0
              Конверсии чего в чего? Лазерного излучения в… лазерное излучение? Или там изначально лазеры более «мягкого» диапазона, которые потом конвертируют в рентген каким-то образом?

              А возвращаясь к предыдущему посту про
              Я бы уточнил, что они получили подогрев от термоядерной реакции в 17 килоджоулей при вложении в мишень 10 килоджоулей. Интересна последняя цифра — это некая доля от рентгеновского излучения холраума, которая получается при попадании на него примерно 1,8 МДж лазерной энергии, сгенерированной установкой.


              Т.е. на нагрев топлива ушло всего 10 КДж из 1800 уже в готовом сфокусированном лазерном излучении рентген диапазона?
              А куда ж все остальное улетает? На нагрев оболочки которая дает только сжатие/удержание и в реакции не участвует?
              • 0
                >Конверсии чего в чего? Лазерного излучения в… лазерное излучение? Или там изначально лазеры более «мягкого» диапазона, которые потом конвертируют в рентген каким-то образом?

                Сначала лазерное излучение ближнего ИК диапазона конвертируют в УФ излучение, которого как раз получается 1,8 МДж, его фокусируют на холрауме, который расположен вокруг мишени. Холраум ионизируется и работает мощным источником рентгеновского излучения, которое и обжимает мишень. Мишень обжимается реактивным воздействием улетающей внешней оболочки, и это тоже дает приличные потери.
  • 0
    Плагиат на Mr. Fusion? =)
    backtothefuture.wikia.com/wiki/Mr._Fusion
  • 0
    Я конечно дилетант, но может быть как дилетант я вижу то чего не видят профи.

    Выбранный способ подвода энергии слишком сложен и не дает возможности синхронизировать всю конструкцию.
    Дело еще усложняется тем, что для создания капли с каналом необходимо всю эту дуру вращать… ужас то какой!!!

    А если вернуться к подводу энергии с помощью соленоида?
    Каждый молоток это пружинный маятник где роль пружины выполняет газ, а поршень/маятник возбуждается соленоидом.
    Все соленоиды запитаны от общего генератора, что не только упрощает конструкцию, но и уже по умолчанию гарантирует синхронность.
    Ввести все молоты в резонанс можно тупо регулируя давление в каждом.
    (роль пружины выполняет газ. Регулируя количество газа можно менять частоту резонанса.)

    Однако удар в пробку отбойник сбивает резонанс.
    Значит надо раскачать, достигнуть во всех цилиндрах резонанса а потом и одинаковой амплитуды и дать дополнительный импульс.

    В общем такая конструкция куда более управляема.
    А то что мутят канадцы… не верю, нереально сложно.
    • 0
      Не вижу простоты в вашем решении. У них постулирована точность работы молота в 5 микросекунд.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.