Стартап FLF разогнал термоядерный снаряд до 20 Махов и планирует довести эту величину до 180 Махов
Британская компания First Light Fusion рассказала о деталях своей инновационной технологии термоядерного синтеза. Стартап FLF разогнал термоядерный снаряд до скорости 7 километров в секунду. Это соответствует 25 200 километрам в час или 20 Махам. В планах компании достичь безубыточности технологии термоядерного синтеза. Для этого необходимо разогнать снаряд до скорости около 60 км в секунду, что эквивалентно 180 Махам, или 216 000 км в час.
Взгляд в ствол "Большой дружелюбной пушки" First Light Fusion - двухступенчатой газовой установки, используемой для генерации термоядерных реакций в результате удара высокоскоростного снаряда по специально разработанной мишени. Изображение представлено онлайн-журналом Asia Times Files / First Light Fusion)
реклама
Например, британский стартап First Light Fusion использует новый, инновационный подход под названием "снаряд слияния", в рамках которого термоядерные реакции запускаются в результате удара снаряда, разогнанного до огромной скорости, по мишени кубической формы, содержащей крошечную сферу термоядерного топлива.
Мишень сконструирована таким образом, что мощная ударная волна, возникающая при ударе снаряда, многократно усиливается и фокусируется на топливной таблетке, создавая сверхвысокие плотности и температуры, требуемые для получения энергии в реакциях термоядерного синтеза. Главная инновация First Light и ключ к ее потенциальному успеху заключается в конструкции этой "амплификационной" технологии.
Пока First Light еще далека от получения значительных объемов энергии с помощью этого метода, но ее эксперименты уже позволили зарегистрировать заметное количество термоядерных реакций. Впервые столь значимый результат был достигнут в ноябре 2021 года с помощью двухступенчатой газовой пушки, способной разгонять снаряды до скорости 7 километров (км) в секунду. Это соответствует 25 200 километрам в час, что более чем в 20 раз превышает скорость звука.
реклама
Регистрация процессов слияния стала убедительным доказательством целесообразности подхода First Light к термоядерному синтезу и, в частности, к технологии усилителя (амплифактора).
![]() |
Моделирование показало, что пролетающая мимо звезда может выбросить Землю из Солнечной системы |
Для достижения " безубыточности" термоядерного синтеза - то есть выделения большего количества энергии, чем было поглощено топливом, - предположительно потребуется увеличить скорость примерно в 10 раз. Отраслевые эксперты не сомневаются, что такие скорости могут быть достигнуты за счет сравнительно простого масштабирования существующих технологий. First Light постепенно продвигается к этой цели.
Но может ли метод First Light быть эффективным? На первый взгляд, предлагаемая стратегия кажется весьма сомнительной. Однако при детальном изучении обнаружилось, что он имеет под собой довольно прочный физический и вычислительный фундамент.
Научный обозреватель интернет-издания Asia Times Джонатан Тенненбау, пишет, что компания First Light Fusion, безусловно, пользуется серьезной поддержкой научного сообщества. В частности, в совет директоров компании, выдающийся физик плазмы Стив Роуз, профессор Джереми Читтенден, содиректор британского Центра исследований инерциального термоядерного синтеза, Стивен Чу, лауреат Нобелевской премии по физике, бывший министр энергетики США сэр Дэвид Кинг, (он занимал пост главного научного советника правительства Великобритании с 2000 по 2007 годы).
реклама
В конце января этого года было объявлено, что стартап First Light Fusion и Управление по атомной энергии Великобритании (UKAEA) подписали соглашение о совместном проектировании и строительстве нового объекта на территории кампуса UKAEA в Калхэме, где будет построена "Machine 4 ". Это термоядерное устройство следующего поколения от First Light. Цель проекта добиться чистого прироста энергии в результате термоядерных реакций.
BFG способна разгонять снаряды до скорости более 24 000 километров в час. Изображение представлено онлайн-журналом Asia Times Files / First Light Fusion)
Сходство с лазерным термоядерным синтезом
Концепция First Light "снарядного синтеза" имеет некоторые общие черты с лазерным слиянием. Чтобы понять сходства и различия двух технологий, необходимо сказать пару слов о лазерном синтезе.
В самом простом варианте - так называемом прямом приводе - огромный импульс лазерной энергии направляется на крошечную сферическую топливную таблетку. Внешний слой таблетки мгновенно формирует зону взрывообразно расширяющейся плазмы. При этом возникает огромная "волна давления", которая сжимает таблетку в несколько раз по сравнению с ее первоначальным размером.
реклама
В центре давление превышает 10 Мбар, что более чем в 10 миллионов раз больше атмосферного (1 бар = 0,98692 атм). Термоядерное топливо сжимается до плотности, в 1 000 раз превышающей его нормальное состояние. Температура повышается более чем до 100 миллионов градусов по Цельсию. В результате топливная таблетка взрывается, как крошечная водородная бомба.
В такой форме лазерного термоядерного синтеза с прямым приводом отсутствуют магнитные поля, удерживающие топливо в замкнутом пространстве, как это происходит в токамаке, а есть только его собственная “мгновенная инерция”. Отсюда и название - инерциальный термоядерный синтез (inertial confinement fusion, ICF). Метод "снарядного термоядерного синтеза" от First Light относится к той же категории, что и инерционный термоядерный синтез, но в нем используется совершенно другой метод компрессии топлива.
Для всех многочисленных вариантов ICF необходимо достижение сверхвысокой плотности. Достижение сверхвысокой плотности необходимо для всех вариантов ICF. Без сверхсжатия (за тот короткий миг, пока гранула не разрушится) не произойдет достаточного количества термоядерных реакций необходимого для высвобождения заметного количества энергии. Будущие ICF-электростанции непременно должны работать в импульсном режиме, генерируя один или несколько микровзрывов в секунду. После каждой такой детонации в камеру необходимо вводить новую топливосодержащую мишень.
Простейшая версия лазерного синтеза с прямым приводом: (1) лазерные лучи ударяют по топливной таблетке, (2) разрушая внешний слой и создавая реактивные силы, которые сжимают таблетку до сверхвысокой плотности (3), запуская тем самым термоядерный микровзрыв. Изображение: Creative Commons.
Недостатки лазерного термоядерного синтеза
Лазерный термояд имеет богатую историю, берущую начало в 60-х годах прошлого века. Несмотря на огромный прогресс, этот подход имеет определенные недостатки, особенно в том, что касается перспектив его коммерциализации в будущем.
Одной из самых больших проблем является достижение идеально сферической имплозии топливной таблетки. Без этого возникает гидродинамическая нестабильность, которая нарушает процесс сжатия. Тенненбау пишет, что для решения этой проблемы были затрачены огромные силы и средства.
В Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций США (NIF) для зажигания термоядерного синтеза используется альтернативный метод, называемый "непрямой привод": Топливная таблетка подвешивается в центре цилиндрического корпуса, называемого " хольраум"; лазерные лучи направляются через отверстия на его стенки, нагревая их до миллионов градусов.
Слева: лазерный отсек Национального комплекса лазерных теромядерных реакций США Справа: Схема "непрямого привода" Изображения: Creative Commons.
При такой температуре вещество начинает испускать рентгеновские лучи. Холраум мгновенно заполняется однородным полем интенсивного рентгеновского излучения. Обстреливаемая со всех сторон, гранула разрушается примерно так же, как это происходит при использовании прямого привода.
И хотя результаты применения "непрямого привода" обнадеживают, не стоит забывать, что NIF с его 192 лазерными пучками имеет размер трех футбольных полей. Конечно, в будущем появятся более дешевые и эффективные лазерные системы, но пока факт остается фактом: когерентное лазерное излучение — это чрезвычайно "высококачественная" форма энергии, производство которой неизбежно будет сложнее и дороже, чем производство энергии в менее когерентных средах.
Снарядный синтез и "амплификатор"
Метод First Light, если он сработает, станет отличной альтернативой. Вместо дорогой, "высококачественной" энергии идеально выверенного импульса лазерного излучения будет использоваться намного более дешевая, "низкокачественная" кинетическая энергия летящего снаряда. И вместо того, чтобы фокусировать энергию на цели со всех сторон одновременно, достаточно попасть только в одну ее точку.
Это возможно благодаря специальному объекту в форме куба, который в First Light называют "амплификатором" или усилителем. Усилитель преобразует ударную волну, возникающую при столкновении снаряда с гранью куба, в гораздо более мощный импульс, который обрушивается на топливную таблетку.
Хотя детали его конструкции являются коммерческой тайной, в компании утверждают, что физические принципы, лежащие в его основе, хорошо известны. Прежде всего это касается нелинейного поведения ударных волн. В конкретном случае ударные волны могут быть мультиплицированы, усилены и сфокусированы за счет отражения от поверхностей, проникновения сквозь неоднородные среды и взаимодействия между самими ударными волнами.
По словам генерального директора First Light Ника Хокера, изобретение усилителя было бы невозможно без точного моделирования этих комплексных процессов при помощи мощных компьютеров и сложных компьютерных программ. Благодаря стремительному прогрессу появилась возможность во многих случаях заменить моделированием дорогостоящие и трудоемкие экспериментальные исследования. Таким образом, можно гораздо быстрее " играться" с параметрами и тестировать новые идеи.
Программа STEP (Spherical Tokamak for Energy Production) в основном делает ставку на сферический токамак, однако поддерживает формирование "термоядерного кластера", в который могут войти частные термоядерные компании, использующие совершенно другие решения. На снимке генеральный директор First Light Fusion Ник Хокер демонстрирует один из "усилительных" кубов своей компании. Фото: First Light Fusion.
Самые скорострельные пушки в мире
По оценкам специалистов, для достижения безубыточности технологии термоядерного синтеза с помощью метода First Light необходимо разогнать снаряды до скоростей порядка 60 километров в секунду, что эквивалентно 180-Махам, или 216 000 километров в час. До сих пор никому не удавалось разогнать макроскопический объект до таких величин. И компания First Light постепенно продвигается к этой цели.
Сегодня "Большая дружелюбная пушка" (Big Friendly Gun), развивает скорость 7 км в секунду, или более 25 000 км в час. Это двухступенчатая установка. На первой ступени взрывающийся порох приводит в движение поршень, движущийся по трубе. Поршень сжимает водород до давления, в 10 000 раз превышающего атмосферное. Расширяющийся газ разгоняет снаряд.
Именно это устройство First Fusion использовала в своей первой демонстрации реакций термоядерного синтеза при помощи снаряда в ноябре 2021 год. Стоит отметить, что двухступенчатые пушки такого рода создавались для самых разных целей. Например, НАСА использует их для исследования воздействия микрометеоритов на космические аппараты. Также они рассматриваются в качестве серьезной возможности выведения полезной нагрузки непосредственно в космическое пространство.
Еще в 1966 году двухступенчатая пушка, построенная в рамках проекта High Altitude Research Project (HARP) оборонных ведомств США и Канады, успешно вывела 84-килограммовый снаряд на суборбитальную высоту в 179 километра.
![]() |
На расстоянии 13,2 миллиарда световых лет обнаружена самая древняя черная дыра, ровесница Вселенной |
Последующая программа американского правительства, "Проект сверхвысотных исследований" (Super High Altitude Research Project, SHARP), была направлена на запуск специально разработанных спутников непосредственно на околоземную орбиту. Программа SHARP была прекращена по финансовым причинам, но сегодня эту идею продолжает воплощать в жизнь частная компания Green Launch.
Чтобы достичь более высоких скоростей, First Light построила установку под названием "Machine 3". Это одно из крупнейших в мире так называемых импульсных энергетических устройств. Электричество, хранящееся в конденсаторных батареях, проходит за миллионные доли секунды через две небольшие электродные пластины, расположенные в центре устройства. Благодаря комбинации высокого тока и создаваемого им магнитного поля возникает гигантская сила отталкивания (так называемая сила Лоренца).
При соответствующей конфигурации эта сила может быть использована для разгона снаряда (flyer plate) - до астрономически высоких скоростей. Ускорение настолько огромно, что максимальная скорость достигается уже в течение первых нескольких миллиметров движения.
Следующим шагом станет строительство " Машины 4". Она будет запускать снаряды на скорости свыше 60 км в секунду, что, по оценкам экспертов, достаточно для достижения чистого выигрыша за счет термоядерных реакций. Ракета, запущенная с такой скоростью из-за пределов земной атмосферы, достигнет Луны менее чем за 2 часа.
В Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций США (NIF) для зажигания термоядерного синтеза используется альтернативный метод, называемый "непрямой привод": Топливная таблетка подвешивается в центре цилиндрического корпуса, называемого " хольраум"; лазерные лучи направляются через отверстия на его стенки, нагревая их до миллионов градусов. На снимке разряд установки Sandia Z-pinch в Альбукерке, Нью-Мексико, Соединенные Штаты (США). Фото: Sandia
И хотя Machine 4 станет самым мощным в мире импульсным энергетическим устройством, научные и инженерные принципы, заложенные в ней, давно известны. Z-машина в Сандийской национальной лаборатории США, гигантская многоцелевая импульсная энергетическая установка, уже развивает скорость 45 км в секунду, что является мировым рекордом.
Лента материалов
Соблюдение Правил конференции строго обязательно!
Флуд, флейм и оффтоп преследуются по всей строгости закона!
Комментарии, содержащие оскорбления, нецензурные выражения (в т.ч. замаскированный мат), экстремистские высказывания, рекламу и спам, удаляются независимо от содержимого, а к их авторам могут применяться меры вплоть до запрета написания комментариев и, в случае написания комментария через социальные сети, жалобы в администрацию данной сети.
Комментарии Правила