П'ять передових технологій, які знадобляться індустрії синтезу
Енергія термоядерного синтезу потребує більше, ніж тривала реакція термоядерного синтезу, перш ніж вона зможе допомогти світу виробляти достатню кількість енергії з нейтральним вмістом вуглецю. Міністерство енергетики США визначило програму досліджень і розробок для набору технологій і процесів для забезпечення термоядерного синтезу. Двоє представників Міністерства енергетики назвали п’ять із цих актуальних технологій на вебінарі в четвер, організованому Національними академіями науки, техніки та медицини (NASEM). Більше інформації висвітлюється у звіті NASEM за 2021 рік, який закликає до швидкого розвитку технологій, що сприяють термоядерному синтезу: «Хоча це часто відкладають на майбутнє, мета економічної термоядерної енергії протягом наступних кількох десятиліть, оскільки це стратегічний інтерес США, спонукає до необхідності швидко збільшити дослідження та розробку важливих матеріалів, компонентів і термоядерних ядерних технологій». До п’яти виділених четверів належать: 1 Матеріали, стійкі до термоядерного синтезу. Плазма, у якій відбувається реакція термоядерного синтезу, може бути гарячішою за сонце. Потужне магнітне поле або інерція можуть утримувати плазму, відокремлюючи її від стінок і компонентів реактора, але реактори термоядерного синтезу, тим не менш, потребуватимуть матеріалів, здатних витримувати екстремальне нагрівання та бомбардування нейтронами, що вивільняються, коли ізотопи водню перетворюються на гелій. Щоб перевірити потенційні матеріали, вченим потрібно створити умови, подібні до реакції синтезу. «Існує гостра потреба в термоядерному прототипі джерела нейтронів, щоб мати змогу збирати дані про матеріали, для чого може знадобитися багато років впливу», — сказав Скотт Хсу, провідний координатор термоядерного синтезу Міністерства енергетики. Хоча це джерело нейтронів знаходиться в розробці, додав він, машинне навчання та тестування матеріалів можуть допомогти звузити кількість матеріалів-кандидатів. Існує також потенціал, щоб повністю уникнути матеріалів, використовуючи «справді трансформаційні перші конструкції стін і ковдр, де ви можете навіть не мати жодного твердого матеріалу, зверненого до плазми, і це майже обходить проблему матеріалів», — сказав Хсу. «І ми повинні тримати ці ідеї на столі». 2 Розмножувач тритію Найбільш поширені конструкції термоядерних реакторів використовують два ізотопи водню — дейтерій (2H) і тритій (3H) — як паливо. «Якщо ми збираємося використовувати дейтерієво-тритієвий паливний цикл, нам доведеться видобувати тепло і розводити тритій», — сказав Річард Гаврилюк, старший технічний радник Управління науки Міністерства енергетики та голова звіту NASEM за 2021 рік. . «Особливою проблемою є необхідність безпечно та ефективно замкнути паливний цикл, — йдеться у звіті, — який для проектів термоядерного синтезу дейтерію та тритію включає розробку ковдр для розмноження та вилучення тритію, а також заправлення паливом, вихлоп, утримання, добування та відділення тритію у значних кількостях». 3 Витяжна система Частина незбагненного тепла, що утворюється в реакції термоядерного синтезу, буде використано для виробництва електроенергії, але спочатку цим потрібно керувати, і ваш стандартний кухонний вентилятор не підійде. «Повна дослідницька програма вимагатиме випробувальних установок, які створюватимуть середовище, дедалі схоже на термоядерну електростанцію, щоб оцінити обробку вихлопних газів, пов’язаних з реактором, у середовищі термоядерних нейтронів», — йдеться у звіті NASEM. 4 більш ефективні лазери. У грудні Національний центр запалювання (NIF) Міністерства енергетики відсвяткував довгоочікуване досягнення, коли він запустив реакцію термоядерного синтезу, яка вивільнила більше енергії (3,15 мегаджоуля), ніж промені від лазера, який його запалив (2,05 мегаджоуля). Але для живлення лазера знадобилося 300 мегаджоулів. Згодом такі лазери після запуску будуть живитися електрикою від термоядерного реактора. Але більш ефективні лазери означають більш ефективні реактори, залишаючи більше енергії для користувача або мережі. 5 Повторення Недостатньо, щоб лазер був ефективним. Він також повинен працювати не так як мушкет, а більше як кулемет. «Чудовий результат у NIF, — сказав Гаврилюк, — ми досягли цього, роблячи кілька знімків на рік. Ви повинні бути в змозі досягти точки, коли ви робите кілька ударів за секунду або один удар за секунду, тому ми також повинні освоїти частоту повторення». Це збільшує частоту повторення кожного етапу процесу, починаючи з паливної капсули. Згідно з журналом Science, «один мільйон капсул на день потрібно буде виготовляти, наповнювати, розміщувати, підривати та прибирати — це величезний інженерний виклик».
