Альтернативные схемы термоядерного синтеза

Основная пара термоядерной реакции, на которую ориентированы текущие проекты (например, токамаки и лазерные установки), — это реакция дейтерий–тритий (D–T). Однако данная схема сопровождается рядом существенных проблем:

необходимость использования трития — радиоактивного и трудно доступного изотопа;
образование нейтронов с высокими энергиями (~14,1 МэВ), что приводит к активации конструкционных материалов и радиационному повреждению;
потребность в сложной системе радиационной защиты и замкнутом топливном цикле.

В связи с этим ведётся активный поиск альтернативных схем синтеза, способных решить или существенно смягчить эти проблемы. Рассматриваются как альтернативные топливные пары, так и новые подходы к удержанию плазмы и организации реакции.

Безнейтронные термоядерные реакции

Одним из направлений альтернативных схем являются так называемые безнейтронные реакции, в которых основным каналом являются заряженные продукты, а не нейтроны. Это позволяет упростить вопросы радиационной защиты и, потенциально, использовать прямое преобразование энергии в электрическую.

Наиболее перспективные реакции:

Протон–бор-11 (p + ¹¹B → 3α + 8,7 МэВ) Все продукты — альфа-частицы, которые можно эффективно улавливать электростатическими средствами. Преимущества:
- полное отсутствие нейтронов;
- отсутствие радиоактивных отходов. Недостатки:
- крайне высокий кулоновский барьер (~600 кэВ);
- необходимость высоких температур (>600 млн К);
- большие потери на излучение (циклотронное, тормозное).
Дейтерий–гелий-3 (D + ³He → ⁴He + p + 18,3 МэВ) Сопровождается образованием протона, но часть побочных реакций всё же даёт нейтроны. Преимущества:
- высокая выходная энергия;
- меньше нейтронного излучения по сравнению с D–T. Недостатки:
- редкость ³He в природе (необходима доставка с Луны или производство через реакторы);
- сложность удержания плазмы на нужных температурах (~300–400 млн К).

Аннексия альтернативных удерживающих конфигураций

Наряду с топливными схемами, исследуются и альтернативные подходы к удержанию и разогреву плазмы, поскольку классические токамаки и стеллараторы сталкиваются с проблемами масштабирования, устойчивости и затрат.

Инерциальное электростатическое удержание (IEC) Представлено концепцией устройства типа «Polywell» или «Fusor». Основные принципы:

ионизированное топливо инжектируется в вакуумную камеру;
создаётся электростатический потенциал, ускоряющий ионы к центру;
на пересечении траекторий возможны реакции.

Преимущества:

компактность;
простота конструкции. Недостатки:
высокий уровень утечек энергии;
невозможность достичь необходимой плотности реакций для получения положительного энергетического выхода.

Магнитные ловушки типа FRC (Field-Reversed Configuration) и θ-pinch Используют временно создаваемое магнитное поле для удержания плазмы в замкнутом объёме. Преимущества:

высокая плотность плазмы;
возможна компактная конструкция. Недостатки:
проблемы с устойчивостью;
сложность в создании долговременного удержания.

Лазерный и Z-пинч синтез с альтернативными топливами

Инерциальный термоядерный синтез (ИТЯС), основанный на облучении мишени сжимающими импульсами, может быть адаптирован и к безнейтронным схемам. Наиболее известны попытки реализации реакции p–¹¹B в лазерных мишенях.

Z-пинч и лазерный абляционный сжим:

возможность достижения сверхвысоких температур в течение наносекунд;
потенциально допустимая эффективность для реакций с высоким кулоновским барьером;
главная проблема — стабильность и равномерность сжатия.

Щелочные и аннулоидные магнитоинерциальные схемы

Синтез магнитного удержания и инерциального сжатия стал основой для гибридных подходов, таких как:

MagLIF (Magnetized Liner Inertial Fusion) Разработано в лаборатории Sandia National Laboratories. Суть:

топливо слабо предварительно нагревается и намагничивается;
цилиндрическая оболочка (liner) сжимает плазму с помощью электромагнитных импульсов.

Преимущества:

хорошая изоляция теплопотерь благодаря магнитному полю;
высокие плотности достигаются за счёт сжатия. Недостатки:
сложность воспроизводимого запуска;
значительные инженерные требования.

Акустическая и пузырьковая кавитация

Экспериментальные попытки индуцировать синтез при помощи ультразвуковой кавитации в жидкостях (так называемый sonofusion) остаются спорными, но представляют интерес как неклассический подход. Принцип:

ультразвуковая волна возбуждает пузырьки в жидкости;
при схлопывании пузырька происходит локальный скачок давления и температуры.

Несмотря на многочисленные заявления о регистрации нейтронов, воспроизводимость результатов остаётся под вопросом, а физическая правдоподобность требует дальнейших исследований.

Электронный катализ и µ-катализ

Мюонный катализ термоядерного синтеза Мюон (тяжёлый аналог электрона) может замещать электрон в атоме, создавая мюонные молекулы, где ядерный синтез происходит уже при комнатной температуре. Однако:

короткое время жизни мюона (~2,2 мкс);
большое количество «паразитных» захватов мюона ядрами;
крайне малая эффективность на один мюон.

Электронный катализ в различных сверхплотных средах (металлах, кристаллах) также пока не вышел за рамки лабораторных эффектов.

Перспективы и вызовы

Альтернативные схемы термоядерного синтеза находятся на границе теоретических моделей и экспериментальной проверки. Каждая из них потенциально решает те или иные проблемы, характерные для D–T синтеза, но при этом привносит собственные сложности. Основные препятствия:

необходимость в достижении экстремальных параметров (температуры, плотности);
сложность обеспечения устойчивости и длительности удержания плазмы;
ограниченность в источниках топлива (³He, ¹¹B);
низкая энергетическая эффективность текущих установок.

Тем не менее, развитие высокотемпературных лазеров, мощных импульсных источников тока, а также новых подходов к управлению плазмой дают основания полагать, что альтернативные схемы термоядерного синтеза могут сыграть важную роль в будущем энергетики, особенно в направлениях, где необходимы компактные, безопасные и нерадиоактивные источники энергии.