Ядерный синтез водорода и бора может стать воплощением мечты

ИА REGNUM продолжает публикацию переводов цикла статей научного обозревателя портала Asia.com, бывшего главного редактора международного журнала FUSION Джонатана Тенненбаума, посвящённого предистории и современным попыткам получения экологически чистой реакции термоядерного ядерного синтеза бора и водорода, на выходе которой нарабатываются только альфа-частицы, которые тут же превращаются в гелий.

Ранее мы опубликовали переводы трёх статей цикла:

«Фокусированный ядерный синтез — самая горячая идея ядерной энергетики»,

«Простой путь к ядерному синтезу»,

«Более дешевый и быстрый способ получения ядерного синтеза».

Четвертая статья цикла называется «Термоядерный синтез водорода и бора может стать воплощением мечты» (Hydrogen-boron fusion could be a dream come true).

* * *

Различные области науки и техники настолько тесно взаимосвязаны, что прорыв в одной области может быстро вызвать цепную реакцию достижений в других областях. Невозможное становится возможным, трудное становится легким. Идеи, давно забытые как безнадежно трудные для реализации, внезапно обретают новую жизнь.

Одним из таких примеров является синтез водорода с бором. В принципе, термоядерная реакция между ядрами водорода и бора могла бы обеспечить высокоэффективную, свободную от радиоактивности форму ядерной энергии с практически неограниченными запасами топлива. В результате реакции не образуется опасное проникающее излучение и радиоактивные отходы, а только стабильные альфа-частицы, электрический заряд которых позволяет даже прямое преобразование энергии синтеза в электричество.

Эти преимущества были известны давно, но до недавнего времени физические условия, которые считались необходимыми для водородно-борного реактора, включая температуру в миллиарды градусов по Цельсию, казались намного превосходящими все, чего можно было ожидать в обозримом будущем.

Между тем ситуация радикально изменилась благодаря развитию лазерных систем, которые могут генерировать ультракороткие импульсы в диапазоне нескольких фемтосекунд (одна фемтосекунда равна одной миллионной от миллиардной доли секунды), и открытию метода усиления таких импульсов в триллион и более раз.

БУДЬТЕ В КУРСЕ

• 12.02.21   Холодный ядерный синтез: почему у Google ничего не получилось?
• 26.09.20   Новые лазерные технологии для ядерного синтеза
• 22.09.20   Уроки водородной бомбы для мирного термоядерного синтеза
• 16.09.20   О перспективах реакции синтеза «водород + бор» в ядерной энергетике

Этот метод называется усилением чирпированных импульсов, за что его первооткрыватели Жерар Муру (Gérard Mourou) и Донна Стрикленд (Donna Strickland) были удостоены Нобелевской премии в 2018 году. С помощью CPA можно сконцентрировать достаточно энергии в сверхкоротком импульсе, чтобы он достиг мощности в диапазоне петаватт (миллион миллиардов ватт). Это более чем в 100 раз превышает мощность всех мировых электростанций вместе взятых, хотя всего лишь на крошечный момент времени.

В фокусе такого лазерного импульса достигается интенсивность света порядка тысяч миллиардов миллиардов ватт на квадратный сантиметр, что сопоставимо с тем, что мы получили бы, если бы вся энергия, достигающая Земли, от Солнца была сосредоточена в одном пятне размером с миллиметр. Физики называют это «экстремальным светом».

Важны не ошеломляющие цифры, а тот факт, что при взаимодействии этих лазерных импульсов с веществом происходят совершенно новые вещи. Экстремальный свет — одна из самых захватывающих областей фундаментальной и прикладной физики, имеющая революционное значение для будущего технологий.

Не в последнюю очередь экстремальный свет меняет правила ядерного синтеза.

Подход с использованием лазеров для запуска термоядерных реакций применялся почти полвека. Основная идея состоит в том, чтобы бомбардировать крошечную сферическую таблетку топлива со всех сторон одновременными импульсами энергии, заставляя таблетку сжиматься до высокой плотности и нагреваться до температур, необходимых для протекания реакций синтеза. Комбинация сверхвысокой температуры и сверхвысокой плотности необходима для достижения так называемого воспламенения — состояния, при котором процесс реакции становится самоподдерживающимся, что приводит к эффективному «микровзрыву» с выделением большого количества энергии.

Реализация этого общего подхода привела к созданию крупнейшего в мире лазера National Ignition Facility (NIF) стоимостью более $3 млрд в Ливерморской национальной лаборатории США.

NIF работает не с реакцией водород-бор, а с реакцией между изотопами водорода дейтерия (D) и трития (T), которую гораздо легче получить. Реакция DT требует температуры «всего» около 100 млн градусов и имеет значительно более высокие скорости реакции, чем водород-бор.

К сожалению, несмотря на некоторые серьезные достижения, NIF не смогла достичь поставленной цели — «зажигания». Перспективы коммерчески жизнеспособных лазерных термоядерных электростанций, основанных на подходе NIF, отошли в будущее.

Учитывая, что реализовать реакцию водород-бор несравнимо труднее, чем DT, а получение DT оказалось невероятно трудной задачей, почему мы тогда вообще говорим о водороде-боре?

Причина в том, что новое поведение вещества под воздействием «экстремального света» делает возможной короткую стратегию воспламенения смеси водорода и бора, независимую от её нагревания и сжатия. NIF и подобные установки для лазерного синтеза не были предназначены для использования соответствующих явлений.

Грубо говоря: берем небольшое количество топлива, имеющее форму цилиндра, и ударяем по одному его концу лазерным импульсом. Оказывается, когда лазерный импульс достаточно короткий, достаточно мощный и имеет достаточно «чистую» форму, то лишь небольшая часть его энергии идет на нагрев. Вместо этого основной эффект заключается в ускорении открытых слоев топлива до сверхвысоких скоростей — 1000 километров в секунду и более.

С помощью нелинейного механизма энергия лазерного импульса с высокой эффективностью преобразуется в направленное движение электронов и ядер топлива, а не в случайное движение, связанное с теплом. Аналогично пучку частиц, но с плотностью в триллионы раз большей, ускоренный внутрь слой топлива врезается в соседнее топливо, воспламеняя лавину водородно-борных реакций, в результате чего возникает высокотемпературная «волна горения», которая распространяется далее по оси цилиндра.

Изобретатель этой стратегии, австралийский физик и давний эксперт по лазерному синтезу профессор Генрих Хора, может указать на длинную серию экспериментов и теоретических расчетов, подтверждающих его подход. К ним относятся эксперименты нескольких международных исследовательских групп, демонстрирующие фактическое возникновение реакций водород-бор с помощью ультракоротких и сверхмощных лазерных импульсов. За последние годы количество полученных реакций стремительно растет. Последний результат, о котором сообщалось в этом году, был достигнут на лазерной установке PALS в Праге, на которой было получено 10 млрд реакций, чем был открыт путь для повышения выхода на несколько порядков.

Хотя ещё предстоит ответить на многие вопросы, похоже, что мечта о реакторе синтеза водорода и бора имеет серьезные шансы стать реальностью.

Hora выдвинула план исследований и разработок, направленных на создание прототипа водородно-борной электростанции в течение следующих 8−10 лет. Этот прототип будет намного меньше по размеру и намного проще в постройке и эксплуатации, чем обычные атомные электростанции, и не представляет серьезных проблем с безопасностью. По словам Хоры, цена разработки составит около $80−100 млн. Это мелочь по сравнению со стоимостью создания прототипа новой конструкции реактора деления. Имейте в виду, что ядерное деление — это зрелая технология, около 450 энергетических реакторов находятся в коммерческой эксплуатации (см. мою статью: «Ядерная энергия приходит на помощь: Франция осознала свою правоту»); тогда как получение реакции водород-бор все ещё находится на экспериментальной стадии.

Но любой, кто рассмотрит проект Генриха Хоры, будет впечатлён как стратегией, так и дорожной картой, и научным сотрудничеством на высоком уровне, которое начало формироваться вокруг него. В список соавторов технических публикаций Хоры по реакции водород-бор входят ведущие ученые из лазерных лабораторий и национальных исследовательских центров США, Китая, Израиля, Австралии, Ирана, Франции, Италии, Испании, Чехии и Польши. Патенты были выданы в США, Китае и Японии и находятся на рассмотрении в Европе. Хора основал компанию HB11 Energy, которая намеревается привлекать средства инвесторов и выполнять различные исследовательские и опытно-конструкторские работы на существующих объектах по всему миру.

Главная страница сайта фирмы HB11 Energy «Миру нужен новый источник энергии»

HB11 Energy будет производить электроэнергию путем синтеза водорода и бора-11 (HB11) с использованием лазеров. Это создаст неограниченный источник чистой, безопасной и надежной энергии, работающий на широко распространённом в природе топливе, которое будет использоваться в реакции, не образующей радиоактивных отходов.

Разработанная основателем фирмы физиком профессором Генрихом Хора пионерная технология HB11 Energy радикально отличается от всех других подходов к термоядерному синтезу, поскольку не требует нагрева топлива. Другие подходы к термоядерному синтезу требуют температур в десятки или сотни миллионов градусов по Цельсию, что является техническим препятствием, которое десятилетиями сдерживало практическое производство энергии.

Преимущества генерации энергии на основе реакции HB-11:

Это углеродно-нейтральный процесс (то есть не сопровождается выбросами парниковых газов).

Необходимого топлива очень много и оно безопасно — бор-11 составляет примерно 80% всего бора, встречающегося в природе, и легко доступен в открытых карьерах. Бор-11 не радиоактивен и поэтому безопасен.

Реакция безопасна — реакция HB11 анейтронная, то есть она не производит нейтронов, ответственных за проблемы безопасности, связанные с большинством ядерных реакций.

Отсутствие радиоактивных отходов — единственный продукт отходов — безвредный и инертный гелий.

Реактор не может расплавиться.

Процесс генерации непрерывный, что позволяет обеспечить базовую нагрузку электросети.

Масштабируемость — прямое получение электроэнергии без паровых турбин для работы генератора позволяет создавать реакторы от маленьких и дешевых, использующихся в качестве автономных энергетических установок для кораблей, удаленных шахт или заводов; до крупных электростанций, обеспечивающих базовую нагрузку для целого города.

В ближайшие тридцать лет перед нами стоит объединенная задача — значительно сократить выбросы углерода при одновременном увеличении мирового спроса на энергию на 50%. Сжигание ископаемого топлива для производства электроэнергии является самым крупным источником нынешних выбросов углерода, ответственных за глобальное потепление.

HB11 мог бы дать ответ.

В этой серии статей я сначала расскажу о ядерной реакции водород-бор, а затем расскажу о некоторых необходимых азах синтеза, о том, как работает революционная технология усиления чирпированных импульсов, об основных физических принципах подхода Хора, текущих экспериментальных достижениях и, наконец, как будет выглядеть прототип реактора для синтеза водорода и бора. Завершит серию интервью Генриха Хора.

Серия будет доступна для широкого круга читателей, но будет включать некоторую информацию, которая будет интересна профессионально подготовленным.

Продолжение следует…