Термоядерный ракетный двигатель: как, зачем, почему и почем

Идея совмещения многопробочной части с газодинамической в стационарном реакторе возникла в 2006 году в Институте ядерной физики. Если поток плазмы из газодинамической ловушки затормозить в многопробочной секции, то продольные потери уменьшатся, а эффективность удержания – возрастёт. Отцы-основатели, классики, которые изобретали многопробочную открытую ловушку, рисовали что-то похожее, но для импульсной системы. Они тоже считали, что не надо делать всю ловушку гофрированной, а нужно сделать центральную часть в виде гладкой трубы. Только в их варианте труба не была большим пробкотроном, а предполагалась такого же диаметра, как и гофрированная часть. Кроме того, считалось, что это чисто импульсная система, то есть с ГДЛ она была бы не совместима. Эффективное многопробочное удержание при относительно низкой плотности оказалось возможным благодаря коллективному рассеянию ионов на колебаниях плазмы (подобно уменьшению потока воды из гудящего крана). Оно было открыто коллективом лаборатории ГОЛ-3 ИЯФ.

 

ГДМЛ будет «гибридом» установок ГОЛ-3 и ГДЛ. Основная часть установки – это соленоид с двумя магнитными пробками, как на ГДЛ. В него инжектируются атомарные пучки, которые превращаются в плазме в быстрые ионы. Эти ионы удерживаются в ловушке и обеспечивают термоядерную реакцию. Для того чтобы система удерживала максимальное количество таких ионов, нужно, чтобы они инжектировались под немного разными углами к силовым линиям. Тогда давление плазмы (и энерговыделение) распределяется равномерно вдоль плеча соленоида – прообраза активной зоны реактора. Инжекция атомарных пучков осуществляется четырьмя парами инжекторов, каждый из которых имеет свой наклон к оси установки.

По бокам, за магнитными пробками, к центральному пробкотрону будут пристроены два участка с гофрированным магнитным полем, как на ГОЛ-3. Эти участки предназначены для подавления потока вытекающей плазмы. Плазма, всё-таки вытекающая из ловушки, попадёт в баки-расширители. В них будут установлены пластины-плазмоприёмники и инжекторы электронных пучков.

 

Центральный пробкотрон – десять метров. Гофрированные участки – по пять метров каждый, плюс баки расширителей; в сумме получается тридцать метров.
Пробочное отношение – восемь. Пробочное отношение – это отношение максимального магнитного поля (в пробке) к минимальному. Оно определяет относительный размер отверстия, через которое вытекает плазма. У нас площадь отверстия составляет 1/8 от сечения в самой широкой области. Чем меньше отверстие, тем лучше. Но чтобы его сделать совсем маленьким, нужно создать большое магнитное поле, а это дорого, потому что подразумевает использование дорогих сверхпроводников. Оказывается, что дешевле увеличивать длину многопробочных участков, чем увеличивать магнитное поле.
Комплекс атомарной инжекции будет состоять из восьми инжекторов мощностью 1 МВт и длительностью 1 сек. Атомы разгоняются до энергии 40 кэВ (тыс. электрон-вольт). ИЯФ является мировым лидером по разработке и изготовлению подобных приборов. Проблемы с технологией нет, были бы деньги. Каждый инжектор стоит порядка миллиона долларов, себестоимость, конечно, меньше, но всё равно это самая дорогая часть установки.
Очень важной частью установки будут электронные пучки. Кроме дополнительного нагрева плазмы, они должны будут поддерживать её электрический потенциал и генерировать звук в многопробочных участках. Их будет две штуки. По одному импульсно-периодическому инжектору в каждом расширительном баке, мощностью 5 МВт и энергией 50 кэВ.
Расчётная плотность плазмы составит 1–5*10¹⁴ в кубическом сантиметре. Это примерно в сто тысяч раз меньше, чем плотность молекул в атмосферном воздухе. Однако для горячей плазмы это большая плотность. Достаточно сказать, что её давление будет сравнимо с атмосферным.

 

Какой вывод можно сделать из графика? Маленькие открытые ловушки дороже, чем токамаки, на токамаках можно получить гораздо лучшие параметры. Но если увеличивать размеры, то стоимость открытых ловушек растёт медленнее. Стоимость токамака пропорциональна кубу размера. А открытую ловушку просто удлиняют, поэтому она пропорциональна первой степени, то есть длине этой ловушки.

 

zz1f15a8cb.jpg @ www.nanonewsnet.ru [кеш]

Если бы удалось сделать небольшую термоядерную открытую ловушку, то это был бы готовый термоядерный ракетный двигатель, с соплом. Сейчас такое, конечно, звучит фантастически, но теоретически это возможно. Во всяком случае, встречаются серьёзные люди, которые выступают на конференциях с такими докладами. Конечно, с трудом верится, что ловушка в два километра поместится на космический корабль, но вдруг мы её когда-нибудь укоротим? Тридцатиметровая вполне могла бы поместиться; она, правда, тяжёлая, но это уже другая проблема.

 

В свете всего вышесказанного неудивительно, что сразу же после обнародования удачных опытов с ВТСП вставками в биттеровских магнитах началось финансирование проекта MagLab по созданию полностью сверхпроводящего (ВТСП+НТСП, рис. 4) комбинированного магнита на 32 Тл (что на 45% выше полей, получаемых при помощи самых мощных низкотемпературных магнитов). Национальный научный фонд США и Университет Флориды выделили на эти цели и млн., соответственно. Предполагаемый срок поставки готового устройства - осень 2012а год. Одновременно с MagLab британская компания Magnifye занимается поиском способов снижения стоимости первичной запитки током таких магнитов.

 

Спустя год, на похожей галетной катушке, намотанной из ВТСП проводников 2-го поколения легированных цирконием, было достигнуто магнитное поле в ~ 1,1 Тл при 77 К

И наконец, в октябре 2008 года, абсолютным (на сегодняшний день) мировым рекордом достигнутой индукции магнитного поля стал гибридный магнит на 33,8 Тл, состоящий из ВТСП вставки на 2,8 Тл (из 40 м ВТСП ленты 2-го поколения) в узкоканальном биттеровском магните на 31 Тл.