В конце 2024 года в Германии стартовал проект IFE Targetry HUB, финансируемый Федеральным министерством образования и научных исследований Германии (BMBF). Цель проекта – исследование фундаментальных технологий изготовления и размещения мишеней для лазерного инерциального термоядерного синтеза. Этот вид синтеза считается перспективным направлением в решении мировых энергетических проблем.
Ядерный синтез обладает огромным потенциалом для удовлетворения растущего спроса на энергию во всем мире. Лазерный инерциальный термоядерный синтез – единственный метод, продемонстрировавший научный прирост чистой энергии. Однако, для создания коммерчески жизнеспособной термоядерной электростанции предстоит решить сложные инженерные задачи по внедрению надежной технологии синтеза.
Немецкий совместный проект, объединяющий 15 партнеров из научно-исследовательских институтов и промышленных компаний под руководством Института прикладной физики твердого тела им. Фраунгофера (IAF) и Focused Energy GmbH, приступил к исследованию так называемых «мишеней». Эти мишени являются ключевым компонентом лазерного инерциального термоядерного синтеза, содержащим водородное топливо и абляционный материал, необходимый для сжатия и слияния изотопов водорода – дейтерия и трития.
После первого успешного эксперимента по слиянию дейтерия и трития с чистым положительным научным выходом энергии в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL), интерес к технологии термоядерного синтеза во всем мире резко возрос. Однако до коммерческого использования ядерного синтеза в качестве устойчивого источника энергии предстоит пройти долгий путь. Проект «IFE Targetry HUB для инерциального термоядерного синтеза DT» (IFE Targetry HUB), финансируемый BMBF, закладывает важную основу для исследований в области лазерного инерциального термоядерного синтеза в Германии.
Любая форма лазерного инерциального термоядерного синтеза представляет собой импульсный процесс. Мишень, заполненная изотопами водорода (дейтерием и тритием), сжимается и зажигается с помощью множества мощных лазерных лучей. При этом достигается температура до 120 миллионов градусов Цельсия, что приводит к испарению мишени и одновременному нагреву и сжатию топлива до плотности, многократно превышающей плотность твердого тела. Это обеспечивает реакцию синтеза, в которой положительно заряженные ядра атомов преодолевают взаимное отталкивание и сливаются, образуя гелий, высвобождая при этом огромное количество энергии.
Необходимы дальнейшие исследования и разработки для улучшения свойств существующих мишеней, чтобы обеспечить качественный прогресс, необходимый для разработки электростанции, например, с точки зрения выхода энергии и воспроизводимости результатов. Современные мишени тщательно измеряются и характеризуются, чтобы результаты эксперимента по термоядерному синтезу можно было сравнить с результатами моделирования.
Фундаментальная возможность производства мишеней с подходящими свойствами имеет решающее значение для реализации термоядерной электростанции. Стоимость каждой мишени при частоте повторения более 10⁶ выстрелов в день должна быть значительно снижена для коммерчески жизнеспособной электростанции. Для мишеней, которые были успешно испытаны в LLNL и созданы Diamond Materials, партнером консорциума, индивидуальное производство является самым современным решением.
Проект IFE Targetry HUB направлен на разработку концепций, которые, с одной стороны, улучшают характеристики синтеза и делают прогресс поддающимся проверке, а с другой стороны, могут быть изготовлены во все больших количествах.
Поставка материала для впрыска и фиксации термоядерного топлива имеет первостепенное значение для электростанции. Как показали предыдущие эксперименты по термоядерному синтезу, качество сжатых мишеней является ключевым фактором успеха, определяющим основные факторы успеха. Термоядерная мишень должна соответствовать высочайшим требованиям к качеству (материал, геометрические, термические, механические параметры) и сохранять свои характеристики при ускорении и впрыске на высокой скорости в реакторную камеру, а также производиться в достаточных количествах, характеризоваться и проверяться на предмет воспроизводимости.
Создание материальной и технологической базы, а также базы характеризации является предпосылкой для этого проекта. В рамках проекта объединяются основные доступные и прогнозируемые технологии, разрабатываются как методы производства, так и подходящие и инновационные методы характеризации. Что касается методов производства, конечная цель должна состоять в том, чтобы улучшить качество материала, чтобы можно было постоянно избегать 100% контроля с помощью статистического контроля.
В IFE Targetry HUB партнеры используют свой различный опыт, охватывающий фундаментальные исследования, прикладные исследования и промышленность, для совместного исследования подходящих материалов и процессов для функционального и экономически эффективного масштабируемого производства и характеризации мишеней с водородным топливом для лазерного инерциального термоядерного синтеза. Эти мишени представляют собой «узкое место» для эффективного ядерного синтеза и, следовательно, являются ключевой технологией на пути к лазерной термоядерной электростанции будущего.
В предыдущих демонстрациях использовались сферические алмазные мишени диаметром всего 1 мм. Геометрия мишени, свойства межфазных границ и чистота, а также качество материала имеют решающее значение для успеха ядерного синтеза. В настоящее время IFE Targetry HUB разрабатывает и внедряет высокоточные производственные процессы, такие как аддитивное производство пеноматериалов или плазменное покрытие, а также характеризацию компонентов мишени. Целью исследования является масштабируемое производство мишеней, отвечающее высоким требованиям для успешного лазерного инерциального термоядерного синтеза.
Целью совместного проекта IFE Targetry HUB является создание материальной, технологической и характеризационной основы для одновременного производства функциональных и экономически эффективных мишеней для лазерного инерциального термоядерного синтеза. Основываясь на разработке новых алмазных мишеней из углерода высокой плотности (HDC), мишени HDC с новым легированием кремнием аналогичны предыдущим мишеням HDC на основе вольфрама. В результате получения результатов разработки HDC, цель состоит в том, чтобы исследовать производственные процессы, которые позволяют одновременно производить мишени в начальном количестве не менее 5000 штук. До сих пор доступные методы изготовления HDC позволяют получать лишь небольшие количества (до нескольких десятков) высококачественных мишеней.
Разработка в направлении производства большого количества мишеней основана на анализе достигнутого качества материала посредством испытаний на термоядерный синтез. На основе имеющихся экспериментальных результатов разрабатываются критерии оценки материалов с учетом многократного синтеза. Для этого создается как основа для моделирования, так и основа для характеризации.
Кроме того, разрабатываются и исследуются процессы аддитивного производства полимерных мишеней для производства пеноматериалов и, в сочетании с технологией плазмы атмосферного давления, их модификации и внедрения в технологические процессы с низким уровнем загрязнения. Это потенциально, после доказательства пригодности для термоядерного синтеза, может обеспечить очень высокие темпы производства при низких производственных затратах.
Уже хорошо зарекомендовавшая себя технология 2PP-печати с точечным взаимодействием совершенствуется с точки зрения достижимого разрешения, и параллельно разрабатывается новый тип 2PP-проекционной литографии, который значительно сокращает время печати IFE-мишеней. Новые методы статистической характеризации с использованием микроволновых резонаторов и рентгеновской томографии должны быть разработаны для захвата большого количества мишеней с использованием статических методов характеризации.
Создается возможность измерения основных параметров тех материалов при криогенных температурах, которые должны использоваться в мишени IFE. Кроме того, будет реализован испытательный стенд для проверки поведения пен IFE и интегрированных мишеней из пеноматериала и абляционных сферических оболочек, которые можно исследовать при заполнении жидким водородом через микрокапилляр.
Микрокомпоненты должны быть охарактеризованы, прежде чем их можно будет использовать в качестве мишеней IFE в лазерно-плазменных экспериментах или в первом испытательном реакторе термоядерного синтеза. Требования к чистоте материала, концентричности и сферичности абляционной сферической оболочки, однородности пены, заполненной льдом DT, а также, например, положению конуса в сферической оболочке для быстрого зажигания протонов – это лишь некоторые параметры качества, которые необходимо определить с высочайшей точностью. Для этого в рамках данного исследовательского проекта будут разработаны и квалифицированы специальные измерительные приборы.
После успешной демонстрации функционального процесса производства мишеней в средних количествах в лабораторных условиях результаты будут включены в прогрессивную разработку производственного процесса, необходимого для производства достаточно большого количества мишеней для коммерческой эксплуатации реактора.
Компания Focused Energy GmbH, наряду с другими промышленными партнерами, перенесет положительные результаты этого трехлетнего исследовательского финансирования на последующий этап разработки, а также объединит и проверит процессы и продукты, разработанные специально для производства мишеней IFE соответствующими партнерами проекта.
+ There are no comments
Add yours