Lockheed Martin запатентовала компактный реактор синтеза
Пока мир следит за тем, как в огороде Facebook растет сад камней, Lockheed Martin тихо подает патент, связанный с дизайном потенциально революционного компактного реактора синтеза, он же CFR. Если проект будет развиваться по графику, компания сможет представить прототип системы размером с корабельный контейнер, но способный питать авианосец класса “Нимиц” или 80 000 домов уже в следующем году. Все бы ничего, но, как известно, термоядерный синтез “будет через 20 лет”. Так думали лет 60 назад.
Патент на часть системы конфайнмента, или корпуса, датирован 15 февраля 2018 года. Оборонный подрядчик, штаб-квартира которого находится в штате Мэриленд, подал предварительный запрос 3 апреля 2013 года и официальный почти год спустя. Как же развивался проект с тех пор?
В 2014 году компания вообще удивила весь мир, заявив, что работает над подобным устройством и несет ответственность за передовые проекты Skunk Works в их офисе в Палмдейле, Калифорния. В то время Томас Макгир, глава Compac Fusion Project, говорил, что цель — создать рабочий реактор за пять лет и вывести проект в массовое производство за десять.
«Я изучал это в аспирантуре Массачусетского технологического института, где, в рамках исследования NASA, я разбирал, как нам быстрее добраться до Марса», говорит Макгир в 2014 году в интервью Aviation Week. «Я начал просматривать все опубликованные идеи. В основном я брал их и объединял, превращая в нечто новое, убирая проблемы одних и заменяя их преимуществами других».
Ученые разрабатывают концепции реакторов синтеза с 1920-х годов, но, к сожалению, большинство функциональных примеров были неэффективными и большими — по сути, размером с небольшое здание — ну и дорогими, конечно. Например, реактор ИТЭР, который строится во Франции силами международного консорциума, будет готов в 2021 году. На него было затрачено в общей сложности 50 миллиардов долларов, и весит он порядка 23 000 тонн.
Все эти устройства, конечно, можно назвать экспериментальными, они слабо отвечают практическим целям, и проблема заключается в ограничении (конфайнинг) реакции, которая протекает в сердце солнца и других звезд. В отличие от реакции ядерного деления, когда атомные ядра расщепляются, выпуская энергию, реакция синтеза включает нагрев газообразного топлива до точки, когда ее атомная структура нарушается под давлением и некоторые частицы сливаются в более тяжелые ядра.
Этот процесс включает выброс массивного объема энергии, в миллион раз больше, чем при обычной химической реакции, вроде сжигания ископаемого топлива, говорит Макгир. Но для этого вам нужно постараться удержать газ, который будет в состоянии чрезвычайно высокоэнергетической плазмы, в течение определенного времени при температуре в сотни миллионов градусов.
Это в целом ограничивает потенциал реакторов, даже больших, из-за опасений, что они могут красиво ломаться. В интервью 2014 года Макгир использовал токамак, устройство магнитного конфайнмента, разработанное советскими учеными в 1950-х годах, в качестве примера. Он объяснил это тем, что у токамака низкий предел магнитного давления, при котором он может работать безопасно.
Макгир постарался объяснить, хотя бы в теории, как CFR должен обойти эти проблемы:
«Проблема токамаков в том, что они могут удерживать лишь определенное количество плазмы, мы называем это бета-пределом», говорит Макгир. Измеряемый как отношение давления плазмы к магнитному давлению, бета-предел обычного токамака очень низкий, или порядка “5% или около того в ограничивающем давлении”, говорит он. Сравнивая тор с шиной мотоцикла, Макгир добавляет: «Если накачать слишком сильно, ограничивающая шина лопнет, поэтому для безопасной работы нельзя подходить слишком близко».
CFR должен избежать этих проблем, предпринимая принципиально другой подход к конфайнменту плазмы. Вместо ограничения плазмы в трубчатых кольцах, серия сверхпроводящих катушек создаст магнитное поле с новой геометрией, в которой плазма удерживается в широких пределах всей реакционной камеры. Сверхпроводящие магниты в катушках будут генерировать магнитное поле вокруг внешней границы камеры. «Вместо того чтобы расширять мотоциклетную шину в воздух, у нас будет труба, которая расширяется в прочную стенку», говорит Макгир. Система будет регулироваться самонастраивающимся механизмом отклика, так что чем дальше будет расширяться плазма, тем сильнее магнитное поле будет толкать ее обратно, удерживая. CFR, как ожидается, будет обладать бета-пределом в единицу.
Если система будет работать, сложно даже представить, как она изменит не только будущее боевых действий, но и саму природу человеческого существования. Работая на шести килограммах топлива — смеси изотопов водорода трития и дейтерия — реактор Lockheed Martin сможет подавать энергию целый год без остановки. За этот период устройство сможет вырабатывать постоянные 100 МВт энергии.
По заявлению компании, реактор может быть достаточно мощным, чтобы с его помощью работал авианосец, самолет размером с С-5 Galaxy, обеспечивать электроэнергией город с населением от 50 до 100 000 человек и, возможно, даже отправить нас в поездку на Марс. В каждом случае компактный реактор заменит большие обычные топливные системы или реакторы деления, исключая вес и массу. Это, в свою очередь, может создать торговое пространство для дополнительной системы или пропускной способности с точки зрения персонала или материальных средств либо обеспечить более экономичную общую форму или дизайн.
В случае авиационных применений, в зависимости от точного размера реактора, система может дать самолету неограниченный радиус полета на протяжении всего жизненного цикла; при этом предельным требованием от экипажа будет необходимость в пище, воде и других системах жизнеобеспечения. Дроны с большой высотой полета смогут оставаться на лету на протяжении месяцев или даже лет, постепенно заменяя спутники и другие коммуникационные инфраструктуры для военных и гражданских применений.
Это также могло бы привести к постоянному наблюдению за широкими областями, в которых обыкновенно трудно контролировать ситуацию с воздуха, например, на огромных просторах Тихого океана, причем практически неограниченно. Это было бы полезно для наблюдения за передвижениями оппонента или изменений в популяциях животных или температуре воды.
Те же преимущества могут получить наземные виды транспорта, корабли или даже космические аппараты: никто не отказался бы от практически неограниченной энергии в компактном форм-факторе, позволяющей покорить тиранию расстояний. Логистические цепочки были бы не нужны как явление. Но самое большое преимущество выльется в виде приятного бонуса для экологии.
Разница между реакцией деления и реакцией синтеза в реакторе в том, что последняя не производит опасных выбросов для озонового слоя, и даже если система откажет, она не приведет к масштабной экологической катастрофе, связанной с выбросом радиации. Дейтерий и тритий вполне успешно используются в коммерческой среде и являются относительно безвредными в низких дозах. Небольшое количество топлива, необходимое для запуска реактора синтеза, само по себе уменьшает риск утечки и загрязнения большой площади.
И поскольку реактор синтеза не нуждается в очищенном материале для деления, его гораздо труднее использовать в качестве стартовой площадки для создания ядерного оружия. Такие реакторы можно будет ставить в больницах, школах, опреснительных установках, безо всякого риска для местных жителей.
Топлива также будет много, и оно будет легко доступным, поскольку морская вода обеспечивает практически неограниченный источник дейтерия, в то время как тритий тоже вполне легко добыть. Отходы гораздо менее опасны, чем те, что остаются после работы ядерных реакторов, а материалы остаются радиоактивными в течение сотен, а не тысяч лет.
Такая система будет вырабатывать тепло и направлять эту энергию для движения турбины, вырабатывающей электричество, а значит Lockheed Martin вполне могла бы предложить замену существующих источников топлива, использующих уголь, нефть и ядерное деление. В чрезвычайной ситуации, например, в результате большого стихийного бедствия, компактные реакторы, размещенные на грузовиках, могли бы быстро восстановить питание целых городов.
Конечно, мы пока не видели реактор синтеза Lockheed Martin и не знаем, станет ли он реальным вообще. Многие компании и организации пытались создать рабочий реактор синтеза уже почти сто лет, но не удалось это пока никому.
С одной стороны, сам факт подачи патентной заявки корпорацией не означает, что они активно развивают технологии, описанные в документе. Кроме того, с момента распространения информации в 2014 году, Skunk Works очень мало рассказывала об этом проекте за пределами сообщества физики плазмы. Правительство США также оставляет за собой право классифицировать патенты, если они являются публичными, которые могут представлять угрозу национальной безопасности. И тот факт, что данный патент таковым не является, тоже ставит под сомнение зрелость проекта.
Вспоминая пятилетний срок разработки, о котором Макгир говорил в 2014 году, стоит ли нам ожидать еще одно крупное заявление от Lockheed Martin в ближайшем будущем?