FLF планирует в ходе термоядерного синтеза получить в 100 раз больше энергии, чем было затрачено

В декабре мы писали о потенциально новом подходе к получению термоядерной энергии путем столкновения гиперзвуковых снарядов со специально разработанными мишенями. Компания First Light Fusion, занимающаяся разработкой метода "снарядного синтеза", создала импульсное энергетическое устройство под названием Machine 3, способное разгонять снаряды до скорости 20 километров в секунду (75 000 километров в час или почти 60 Махов).

Что креветка может поведать нам о ядерном синтезе. Изучение того, как креветка-пистолет использует ударные волны, чтобы убить свою добычу, вдохновило ученых на разработку новых технологий в области термоядерной энергетики.

В разработке находится "Машина 4", которая сможет достигать в три раза больших скоростей. Эксперты First Light Fusion надеяться, что с помощью "Машины 4" удастся максимального коэффициента усиления термоядерной энергии в 100 единиц. То есть условно из 1 мегаватта (МВт) тепловой энергии, потраченной на разогрев топлива, планируется получить 100 МВт термоядерной энергии.

Однако для достижения таких результатов требуется нечто большее, чем просто высокая скорость снаряда. Учитывая экстремальные давления и температуры, необходимые для термоядерного синтеза, даже удар гиперскоростного снаряда Machine 4 по топливной капсуле вряд ли инициирует термоядерную реакцию.

Ключ к успеху заключается в устройстве, которое в First Light Fusion называют "амплификатором" или усилителем. При попадании стремительно несущегося снаряда этот кубический элемент многократно усиливает интенсивность возникающей ударной волны и фокусирует ее на грануле термоядерного топлива. В ноябре 2021 года эксперты продемонстрировали, что благодаря "усилителю" даже гораздо меньшие скорости, которых удалось достичь с помощью первого снарядного ускорителя First Light Fusion - "Большой дружественной пушки", - достаточны для запуска вполне ощутимых термоядерных процессов.

Кавитация и сонолюминесценция 

Как работает амплификатор?

Практически сразу после того, как для передвижения кораблей стали массово использовать металлические гребные винты, выяснилось, что они подвержены своеобразным повреждениям. Постепенно некоторые участки на лопастях "съедались", что в конечном итоге требовало замены винтов.

Аналогичные проблемы возникали с клапанами, насосами и другими конструкциями, контактирующими с быстротекущими жидкостями. Осмотр выявил особый вид повреждений, совершенно не похожий на коррозию. В чем же была причина?

К середине 1890-х годов стало понятно, что эти повреждения как-то связаны с явлением, называемым кавитацией. Когда давление в жидкости кратковременно падает ниже определенного уровня (давления пара), в ней образуются маленькие пузырьки - полости, которые впоследствии схлопываются. Как оказалось, схлопывание кавитационного пузырька - намного более "бурное" событие, чем представляется на первый взгляд. Имея соответствующую аппаратуру, можно легко проследить за потоками кавитационных пузырьков, образующихся в воде при вращении гребного винта.

Слева: кавитационное повреждение на кромке гребного винта корабля; справа: вид крупным планом. Фотографии: Creative Commons

Давайте попытаемся представить, как происходит этот процесс.  Быстро вращающийся пропеллер создает турбулентность и сильную разницу давлений в воде. В результате в разных местах вокруг винта на мгновение возникают зоны пониженного и повышенного давления.

Кавитационные пузырьки образуются в областях низкого давления, в частности там, где локальное давление падает ниже так называемого давления пара, что приводит к испарению воды. Процесс образования пузырьков, заполненных водяным паром, довольно непрост, но в данном контексте подробности не важны.

Когда такие пузырьки попадают в область повышенного давления, пар в пузырьке снова конденсируется в воду, образуя "пустоту". Давление внутри пузырька снижается и становится ниже давления воды снаружи.  Из-за разницы давлений пузырь сжимается и уменьшается в размерах, а затем и вовсе исчезает. Но при чем эрозионное разрушение твердой металлической поверхности гребного винта?

В 1917 году британский физик лорд Рэлей провел математический анализ схлопывающегося сферического пузыря в жидкости. Его расчеты показали, что стенки пузыря сжимаются с очень большим ускорением. Другими словами, если радиус пузыря стремится к нулю, то ускорение стремится к бесконечности. На этом фоне давление, а значит, и температура, и плотность энергии также теоретически стремятся к бесконечности.

Безусловно, это была лишь математическая концепция. Появление таких "бесконечностей" означает, что в какой-то момент времени, прежде чем радиус станет равным нулю, физическая реальность изменит модель и случится что-то новое. Тем не менее, эксперимент Рэлея позволил впервые правдоподобно объяснить, как разрушающиеся пузырьки воды могут генерировать достаточно высокую концентрацию энергии, способную повредить гребные винты корабля.

Для ученых давно не секрет, что температура в центре схлопывающегося кавитационного пузыря в воде может достигать 5 000 Цельсия или даже намного выше. При этом газ внутри пузырька на мгновение превращается в плазму, излучающую короткую вспышку света.

Оказывается, цикл кавитации и схлопывания пузырьков можно непрерывно поддерживать, если подвергать жидкость воздействию подводных звуковых волн достаточной интенсивности. В типичном эксперименте ультразвуковой излучатель генерирует так называемую стоячую волну в резервуаре с водой. С каждым новым циклом звуковой волны в воде образуются и тут же схлопываются кавитационные пузырьки, испуская короткие вспышки света, синхронизированные с сигналом.

Такая индуцированное ультразвуком световая вспышка называется сонолюминесценцией. Сегодня это процесс изучается на примере отдельных пузырьков, пульсирующих в акустическом поле. Но как можно усилить явление сонолюминесценции до такой степени, чтобы внутри разрушающихся пузырьков начали протекать термоядерные реакции?

Вращающийся гребной винт, генерирует в воде шлейф сферических кавитационных пузырьков. Фото: Creative Commons

Исследователи давно пытаются воплотить эту идею в жизнь. В 2002 году физик Руси П. Талейархан из Ок-Риджской национальной лаборатории заявил, что ему удалось зарегистрировать термоядерные реакции. Однако его результаты не были признаны достоверными и даже стали предметом академического скандала.

Но давайте вернемся к нашему гребному винту, так как мы так и не ответили на главный вопрос: Как происходит перенос высококонцентрированных потоков энергии, возникающих внутри схлопывающегося пузырька, на поверхность гребного винта?

Моделирование и прямое наблюдение с помощью сверхскоростных камер (миллион и более кадров в секунду) показывают, что коллапс происходит совершенно иначе, когда кавитационный пузырь находится близко к поверхности: При схлопывании пузырек теряет свою сферическую форму и выбрасывает интенсивную высокоскоростную струю материала в сторону поверхности. Эта струя обладает настолько высокой удельную мощность, что ее удар способен разрушить металлы.

Формирование микроструй, вызванных схлопывающимися пузырьками, было одним из основных объяснений того, как происходит кавитационная эрозия. Однако некоторые ученые считают, что существует еще один механизм: при котором коллапсирующие пузырьки испускают ударные волны.

Следует напомнить, что ударные волны характеризуются внезапным, буквально скачкообразным повышением давления при прохождении волны. По своей природе ударные волны передают энергию в концентрированном виде. Каждый, кто хоть раз наблюдал за взрывом издалека, понимает, что это за эффект.

Взрыв в порту Бейрута 4 августа 2020 года - особенно драматичный тому пример: ударная волна, возникшая в результате взрыва, повредила здания на расстоянии 10 километров. Для наблюдателей ударная волна часто становится неожиданностью, потому что до них она доходит не сразу. Они видят вдалеке вспышку взрыва и считают, что это все - но только до тех пор, пока ударная волна не настигает их.

Высокоскоростные кадры разрушающегося индуцированного лазером пузыря с выбросом ударной волны и сферическим отскоком. Съемка велась со скоростью 5 миллионов кадров в секунду с синхронными лазерными импульсами длительностью 10 нс. Photo sequence: Кристоффер Йохансен и др. Деконволюция (обратная сверка) акустически регистрируемых ударных волн коллапсирующего пузырька, Ultrasonics Volume 73, January 2017, Creative Commons

Хотя коллапс кавитационного пузырька происходит не как вспышка, а как имплозия (взрыв направленный внутрь), он также порождает ударные волны - чрезвычайно мощные, в микроскопических масштабах. Это и неудивительно, учитывая интенсивную концентрацию энергии в пространстве и времени, которая происходит при схлопывании.

Здесь может быть задействовано более одного механизма. Во-первых, стенки пузыря, устремляющиеся внутрь и развивающие сверхзвуковую скорость, создают ударные волны внутри пузыря. Они частично отражаются от стенок и частично выходят наружу. К тому же высокие температура и давление внутри могут вызвать "отскок" пузыря, похожий на взрыв: Достигнув минимального радиуса, пузырь снова расширяется, а движущиеся наружу стенки генерируют ударные волны в окружающей среде.

Однако коллапс пузырька может быть вызван и внешней ударной волной, ударяющей по пузырьку. Учитывая, что процесс схлопывания концентрирует энергию, генерируемые им ударные волны могут быть более интенсивными - оказывающими за короткое время намного большее давление - чем первоначальные. В этом случае пузырек будет действовать как амплификатор ударной волны.

Приведите креветку-пистолет!

На самом деле природа уже давным-давно научилась делать такие вещи

В природе существует странное плотоядное морское животное под названием креветка-пистолет или креветка-щелкун, которая использует ударные волны для уничтожения своих врагов или добычи на расстоянии, без необходимости прямого контакта. Этот вид креветок имеет особую клешню, которую использует как своеобразное оружие. Сначала животное держит клешню в открытом положении. В момент атаки клешня захлопывается с очень большой скоростью и силой.

Высокоскоростные камеры зафиксировали, что в момент щелчка образуется большой кавитационный пузырь неправильной формы, который быстро схлопывается, создавая "летальную" ударную волну, поражающую животное-мишень.

Этот процесс сопровождается короткой вспышкой света, которую первооткрыватели, Дитер Лохзе, Барбара Шмитц и Мишель Верслуис, назвали "креветочной люминесценцией". При этом креветка издает громкий щелкающий звук, который является одним из самых громких, издаваемых любым подводным животным. “Креветколюминесценция” возникает благодаря короткоживущей плазме с температурой 5 000 градусов Цельсия и даже выше. В сотрудничестве с Анной фон дер Хейдт исследователи также установили, что источником хлопающего звука является кавитационный коллапс пузырьков, а вовсе не клешня креветки, как считалось ранее.

Неудивительно, что в этом случае механизм схлопывания сильно отличается от процесса разрушения простого сферического пузыря, который вряд ли смог бы породить ударную волну наблюдаемой величины.

Слева - креветка-пистолет (Alpheidae); справа - последовательность действий креветки щелкуна, 1: открытая клешня. 2: Закрывающаяся клешня. 3: Струя воды. 4: Пузырь. 5: Имплозия. Фотографии: Creative Commons

Ученые отмечают, что нет никаких сомнений в том, что огромная концентрации энергии, заключенная в "ударной волне-убийце" креветки, возникает в результате сложнейшего нелинейного процесса, включающего множество промежуточных волн, генерируемых на разных стадиях коллапса, взаимодействующих как друг с другом, так и с стремительно меняющейся конфигурацией поверхности внутри пузыря. Весь процесс длится менее миллисекунды. Единственным доступным способом детально изучить происходящее является моделирование.

В 2011 году Ник Хоукер, ныне основатель и генеральный директор компании First Light Fusion, готовился к защите докторской диссертации на факультете инженерных наук Оксфордского университета под руководством профессора Янноса Вентикоса. Хокера заинтересовал феномен креветки-пистолета, который, как позже выяснилось, вдохновил его на поиск нового способа повышения энергоэффективности термоядерного синтеза.

Хоукер не раз сравнивал "работу" креветки-пистолета с инерциальным управляемым термоядерным синтезом. Конечно, ударно-коллапсирующий пузырь креветки даже близко не достигает условий термоядерного синтеза, но вот вспышка света говорит о колоссальной концентрации энергии. 

В своем интервью для программы Jazz Shapers, вышедшей в эфир в апреле 2023 года, Хоукер сказал: "First Light [Fusion] появилась после моей докторской диссертации, в рамках которой я моделировал новый процесс термоядерного синтеза. Мы вдохновились креветками-пистолетами и попытались найти новый способ, который еще никогда не использовался для инерционного термоядерного синтеза.  Создавая симуляцию, я пытался перенести это природное явление на компьютер и превратить его в нечто, что мы могли бы изучить и понять".

Очевидно, Хоукер не ставил перед собой задачу найти какое-то новое физическое объяснение "убийственной" ударной волны; напротив, он хотел смоделировать лежащие в ее основе процессы с помощью хорошо известных законов физики в сочетании со сложными математическими методами. Оказалось, что проблемы, с которыми он столкнулся, имеют много общего с проблемами моделирования имплозии, вызванной ударной волной, в инерционном термоядерном синтезе.

Разработка надежных компьютерных симуляций для такого рода процессов - моделей, дающих точные прогнозы и не требующих огромного количества компьютерного времени, - представляет собой чрезвычайно  сложную задачу. Хоукер, безусловно, совершил серьезный прорыв в этой области. Его докторская диссертация стала началом долгого поиска решений проблем инерционного термоядерного синтеза.

Новые методы моделирования, совмещающие высокую точность прогнозирования и малое время расчетов, позволили Хокеру и Вентикосу сформулировать и опробовать на практике несколько новых концепций, что раньше было бы просто невозможно.

"Большая дружественная пушка" компании First Light Fusion была использована в первой демонстрации термоядерных реакций с помощью снаряда в ноябре 2021 года. Фото: First Light Fusion

В ходе интервью Хоукер отметил: "Самое лучшее в моделировании - при условии, что вы изобретательный человек, а я и мой руководитель таковыми и являемся — это то, что его можно так легко подкорректировать. Тогда вы сможете легко получить ответ. Вы говорите: "А что, если я просто изменю вот эту форму. Или что произойдет, если я положу сюда вот этот кусочек?"

Он добавил: "Всегда приходится идти путем проб и ошибок. Всегда есть идеи, которые кажутся вам замечательными, но потом вы их проверяете, и они работают совсем не так, как вы ожидаете. И наоборот, есть концепции, в которых вы не уверены, но если вы используете в модели "правильные" данные, вы сильно удивитесь, обнаружив то, чего совсем не ожидали". Хоукер назвал цифровое моделирование "важнейшим двигателем открытий".

Сложные компьютерные симуляции сегодня широко распространены практически во всех областях науки и техники. Не в последнюю очередь это касается физики плазмы и исследований термоядерного синтеза. Но гораздо реже моделирование используется для проверки новых идей и гипотез, касающихся очень сложных физических систем, как это делают Хокер и его коллеги.

"Тонкая настройка" имитационной модели путем изменения различных параметров может быть гораздо более простой, менее затратной и менее трудоемкой, чем проведение экспериментов в реальных условиях. Разумеется, при этом необходимо, чтобы симуляция выдавала правильные результаты.

Хокер и его коллеги продолжают активно тестировать и проверять свои математические методы, сравнивая моделирование с реальными экспериментами с использованием Большой Дружественной Пушки, Machine 3 и других экспериментальных платформ.

Со временем First Light Fusion разработала весьма впечатляющие технологии моделирования с использованием машинного обучения и других передовых разработок. Сегодня компания располагает собственным высокопроизводительным серверным кластером с более чем 10 000 процессорами. Программное обеспечение компании содержит около 400 000 строк компьютерного кода.

Ниже приведен пример моделирования одной из ранних конструкций мишени First Light Fusion. Мишень состоит из тороидальной полости с небольшой сферической ячейкой, содержащей топливо, расположенное на нижней стороне.

Данная осесимметричная модель демонстрирует поведение мишени усовершенствованной конструкции. Топливо находится в маленькой сферической полости в центре, а снаряд ( его не видно) поражает мишень сверху. Две большие полости, в осесимметричной системе образующие тор, первоначально защищают меньшую полость от ударной волны. Они разрушаются, порождая новые волны, давление которых заметно выше, чем от первоначального удара. Все волны фокусируются на маленькой полости и создают эффект квазицилиндрического сближения. Video First Light Fusion

На видео показан весь процесс в "разрезе". Горизонтальная линия вверху представляет собой плоскую ударную волну, созданную ударом снаряда. Эта волна сначала ударяет в тороидальную полость, вызывая ее разрушение и создавая при этом более сильные импульсы, которые обрушиваются на небольшую топливную полость и создают благоприятные условия для термоядерного синтеза. Как можно понять из ролика, процесс этот чрезвычайно сложный, с турбулентными гидродинамическими потоками и множеством вторичных ударных волн, отражающихся в разных направлениях.

Позже компания First Light Fusion отказалась от использования полостей и перешла к другим способам усиления и фокусировки ударных волн. Программа - постоянно развивается. Кроме того, Хоукер ввел жесткое разграничение между "амплификатором" и тем, что теперь он называет "мишенью". Последняя представляет собой "таблетку" термоядерного топлива. Это заметно облегчает использование накопленного опыта работы с различными типами мишеней в лазерном синтезе.

Недавное стартап First Light Fusion представил первый проект термоядерного реактора, использующего в основе снарядный синтез. Как не удивительно, но его конструкция намного проще, чем соответствующие варианты лазерного термояда. Главным отличием является возможность инициировать реакцию термоядерного синтеза, поражая цель с одной стороны, а не бомбардировать ее со всех сторон одновременно. Главный вопрос заключается в том, удастся ли First Light Fusion на практике продемонстрировать воспламенение термоядерного топлива и достичь безубыточности процесса используя метод снарядного синтеза. И если это произойдет, это будет отличный день в истории термоядерной энергетики.