Время подготовки термоядерного топлива в американской компании Inertia значительно сокращено

Американский термоядерный стартап Inertia Enterprises заявил, что в сотрудничестве с Ливерморской национальной лабораторией имени Лоуренса (LLNL) достиг прогресса в подготовке топлива для инерциального термоядерного синтеза, сократив время формирования криогенного дейтерий-тритиевого топливного слоя — ключевого этапа — с нескольких дней до десятков минут. Компания отмечает, что этот результат завершил одну из ключевых задач первого этапа разработки своей коммерческой термоядерной электростанции.

Базовый путь инерциального термоядерного синтеза заключается в использовании высокоэнергетических лазеров для сжатия и нагрева небольших топливных капсул, содержащих дейтерий-тритиевое топливо, с целью достижения условий зажигания и выделения энергии. Национальная установка зажигания (NIF) уже многократно подтвердила соответствующие физические механизмы. Inertia Enterprises выбрала путь следования проверенной конструкции мишеней NIF, а не использования новых недостаточно проверенных структур мишеней или схем драйверов, поэтому подготовка топлива перешла из области физической осуществимости в область инженерных и масштабных производственных задач.

Такие капсулы обычно состоят из сферической углеродной оболочки, внутри которой при криогенных температурах необходимо сформировать максимально гладкий слой твердого дейтерий-тритиевого топлива, а в центре сохраняется дейтерий-тритиевый газ. Для экспериментов по зажиганию на NIF дефекты топливного слоя усиливаются в процессе сжатия и влияют на процесс зажигания, поэтому требования к точности изготовления чрезвычайно высоки; формирование одного топливного слоя может занимать до недели и требовать многократного ручного вмешательства.

Рис. 1: Схематическое сечение капсулы термоядерного топлива и пример рентгеновского снимка, показывающие внешнюю сферическую углеродную оболочку и слой «льда» из DT-топлива с газовым сердечником. Для компании Inertia диаметр такой капсулы составляет примерно 4–5 мм. Формирование достаточно гладкого слоя DT-льда имеет решающее значение для зажигания.

Inertia Enterprises сообщает, что ее новый процесс позволяет вырастить кристаллический слой дейтерия-трития примерно за 30 минут, а весь процесс подготовки топливной капсулы занимает около двух-трех часов. Компания считает, что этот процесс обладает потенциалом для масштабирования до промышленных объемов и может обеспечить непрерывную подачу топлива, необходимую для термоядерных электростанций коммунального масштаба.

Сооснователь и главный научный сотрудник Inertia Enterprises Энн Критчер (Anne Kritcher) заявила, что этот прогресс стал результатом сотрудничества компании с LLNL в области производства мишеней и физического проектирования и способствует продвижению проверенного на NIF пути зажигания к коммерческому термоядерному синтезу. Исследователи LLNL также отметили, что качество быстро сформированного дейтерий-тритиевого ледяного слоя приближается к топливным слоям, полученным на NIF за более длительное время, и соответствует требованиям конструкции мишеней Inertia Enterprises.

Рис. 2: Шероховатость DT-льда, измеренная с использованием нового метода производства, и моды (угловая частота шероховатости) полностью соответствуют исходным спецификациям зажигания NIF, являются более точными, чем спецификации Inertia, что обеспечивает значительный запас и возможность выбора более быстрого метода производства. 

По сравнению с NIF, Inertia Enterprises планирует использовать лазерную систему с более высокой мощностью. Компания заявляет, что энергия лазера в ее коммерческой системе выше, чем на NIF, поэтому допуск на дефекты топливного слоя выше, и нет необходимости стремиться к «идеальной» капсуле по предельным стандартам экспериментов по зажиганию на NIF. Результаты моделирования показывают, что в определенном диапазоне дефектов шероховатость и структурные различия топливного слоя не приводят к значительному снижению выхода термоядерной энергии.

Повышение скорости подготовки топлива также может снизить потребность в запасах трития при эксплуатации электростанции. Тритий радиоактивен, его запасы ограничены, а стоимость высока; требования к обращению, хранению и регулированию достаточно строгие. Inertia Enterprises отмечает, что сокращение цикла загрузки и подготовки топлива уменьшает время пребывания топлива на объекте, снижает необходимый запас трития на этапе запуска, а также способствует снижению затрат на обращение с материалами и регуляторной нагрузки.

Рис. 3: Детальное моделирование показывает, что по сравнению с полностью гладким льдом «зажигания NIF» более высокая скорость инжекции топлива Inertia не приводит к заметным различиям или потерям производительности, как показано на сжатой оболочке и термоядерном топливе вблизи пиковой скорости имплозии.

По замыслу компании, в будущем полноценная коммерческая термоядерная электростанция может потреблять около 10 топливных капсул в секунду. Сооснователь и генеральный директор Inertia Enterprises Джефф Лоусон (Jeff Lawson) заявил, что сокращение задержек на этапе подготовки топлива позволяет уменьшить масштабы объекта, ускорить процессы и повысить общую эффективность.