Хотя во всём мире открытые ловушки закрыли, эти две остались, и мы существенно продвинулись в понимании их работы. Они работают гораздо лучше, чем ожидалось, а турбулентность улучшает, а не ухудшает их характеристики! Это позволяет нам строить амбициозные планы при почти полном отсутствии конкурентов.
- Какие у открытых ловушек преимущества?
- Одно из основных преимуществ — это большая плотность энергии плазмы, которую можно удержать. Плотность энергии — это произведение плотности плазмы на её температуру. Значит, мы можем работать с горячей и плотной плазмой и получить большой выход термоядерной мощности из малого объёма плазмы. Магнитное поле, которое удерживает плазму, обладает упругостью, пропорциональной квадрату напряжённости поля. Давление плазмы может составлять только какую-то часть полной упругости магнитного поля. Иначе плазма выдавливает магнитное поле, а сама попадает на стенку. Отношение давления плазмы, которое можно удерживать, к давлению магнитного поля в открытых ловушках составляет 60 процентов, такой результат был получен на ГДЛ. В токамаках эта величина составляет всего 5-10 процентов. То есть эффективность применения магнитного поля в токамаках гораздо хуже. Почему это плохо? Потому что объём плазмы, а значит, размер установки становится большим. Особенно это проявляется, если мы хотим использовать DD-реакцию (реакция слияния двух ядер дейтерия) или другие «продвинутые» топлива. В токамаках плотность выделения энергии будет очень маленькой, так как ядра дейтерия взаимодействуют между собой в сто раз слабее, чем с тритием. А чтобы сделать энерговыделение большим, нужно большое давление. Так что DD-реактор возможен только на открытых ловушках и некоторых альтернативных системах, а токамаки на него даже не претендуют.
Немаловажен вопрос конструкции. Токамак имеет форму бублика. Поэтому, во-первых, его сложнее сделать, во-вторых, его сложнее чинить при поломке. А в прямой трубе, которую представляет собой открытая ловушка, можно заменять секции без полной разборки. С инженерной точки зрения это гораздо выгоднее.
И боковая стенка не прожигается в случае чего. Есть такой параметр, как разделение потока тепла и потока нейтронов. Почему токамаки, и особенно сферические токамаки, требуют значительных материаловедческих разработок? Потому что нейтроны летят туда же, куда и поток тепла из плазмы, — и то и другое идёт на стенку. Сделать же стенку, которая выдержит такую нагрузку, достаточно сложно. Убрать все излишки в предназначенное для этого место — дивертор — не удаётся. А в открытой ловушке тепло и шлаки удаляются автоматически — вдоль поля, в расширитель. Поэтому на боковую стенку попадают почти исключительно нейтроны и излучение.
Ещё один плюс — возможность прямого преобразования энергии. Поток плазмы, который вылетает в расширитель, можно поместить в скрещенные поля и снимать электрическую мощность непосредственно с электродов, которые к этой плазме присоединены, не используя тепловую машину с тридцатипроцентным КПД. Теоретически КПД преобразования энергии плазмы в электричество может достичь 90 процентов, но это пока возможность, а не реальность.
Если бы удалось сделать небольшую термоядерную открытую ловушку, то это был бы готовый термоядерный ракетный двигатель, с соплом. Сейчас такое, конечно, звучит фантастически, но теоретически это возможно. Во всяком случае, встречаются серьёзные люди, которые выступают на конференциях с такими докладами. Конечно, с трудом верится, что ловушка в два километра поместится на космический корабль, но вдруг мы её когда-нибудь укоротим? Тридцатиметровая вполне могла бы поместиться; она, правда, тяжёлая, но это уже другая проблема.
Очевидных достоинств у открытых ловушек много, причём часть из них является следствием их основной слабости — наличия дырок, через которые вытекает плазма.
- Как возникла идея создания ГДМЛ?
- Идея совмещения многопробочной части с газодинамической в стационарном реакторе возникла в 2006 году в Институте ядерной физики. Если поток плазмы из газодинамической ловушки затормозить в многопробочной секции, то продольные потери уменьшатся, а эффективность удержания — возрастёт. Отцы-основатели, классики, которые изобретали многопробочную открытую ловушку, рисовали что-то похожее, но для импульсной системы. Они тоже считали, что не надо делать всю ловушку гофрированной, а нужно сделать центральную часть в виде гладкой трубы. Только в их варианте труба не была большим пробкотроном, а предполагалась такого же диаметра, как и гофрированная часть. Кроме того, считалось, что это чисто импульсная система, то есть с ГДЛ она была бы не совместима. Эффективное многопробочное удержание при относительно низкой плотности оказалось возможным благодаря коллективному рассеянию ионов на колебаниях плазмы (подобно уменьшению потока воды из гудящего крана). Оно было открыто коллективом лаборатории ГОЛ-3 ИЯФ.
Реализовать плазменную ловушку на основе такого улучшенного многопробочного удержания можно не единственным образом. Идея коллектива ГОЛ-3 заключалась в том, чтобы основным источником нагрева и термоизоляции плазмы сделать релятивистский электронный пучок. Для этого нужно, чтобы, как и в ГОЛ-3, в расширителях была плотная плазма, а электронный пучок был стационарным. А я отстаивал систему с низкой плотностью плазмы в расширителях, больше похожую на ГДЛ. Примерно в октябре 2010 года наше начальство решило, что пора разрабатывать установку нового поколения, и поручило это мне. Работа оказалась очень интересной. Обычно теоретики анализируют целое путём разбиения его на мелкие куски. А тут совсем наоборот. Нужно было построить целое из кусков, причём так, чтобы каждый кусок работал с другими согласованно, как инструменты играют в симфоническом оркестре.
ГДМЛ — это результат коллективных усилий. Мы старались сделать проект таким, чтобы его считали своим и сотрудники ГОЛ-3, и сотрудники ГДЛ, чтобы обе команды воспринимали его как своё родное детище, ведь по отдельности такую установку не построить. И если всё получится, это будет прорыв: по параметрам ГДМЛ будет сравнима с крупными токамаками, например модернизированным Т-15, но при этом на порядок проще и дешевле.
- Как будет устроена ГДМЛ?
- ГДМЛ будет «гибридом» установок ГОЛ-3 и ГДЛ. Основная часть установки — это соленоид с двумя магнитными пробками, как на ГДЛ. В него инжектируются атомарные пучки, которые превращаются в плазме в быстрые ионы. Эти ионы удерживаются в ловушке и обеспечивают термоядерную реакцию. Для того чтобы система удерживала максимальное количество таких ионов, нужно, чтобы они инжектировались под немного разными углами к силовым линиям. Тогда давление плазмы (и энерговыделение) распределяется равномерно вдоль плеча соленоида — прообраза активной зоны реактора. Инжекция атомарных пучков осуществляется четырьмя парами инжекторов, каждый из которых имеет свой наклон к оси установки.
По бокам, за магнитными пробками, к центральному пробкотрону будут пристроены два участка с гофрированным магнитным полем, как на ГОЛ-3. Эти участки предназначены для подавления потока вытекающей плазмы. Плазма, всё-таки вытекающая из ловушки, попадёт в баки-расширители. В них будут установлены пластины-плазмоприёмники и инжекторы электронных пучков.
- А какие у неё будут параметры?
- Центральный пробкотрон — десять метров. Гофрированные участки — по пять метров каждый, плюс баки расширителей; в сумме получается тридцать метров.
Пробочное отношение — восемь. Пробочное отношение — это отношение максимального магнитного поля (в пробке) к минимальному. Оно определяет относительный размер отверстия, через которое вытекает плазма. У нас площадь отверстия составляет 1/8 от сечения в самой широкой области. Чем меньше отверстие, тем лучше. Но чтобы его сделать совсем маленьким, нужно создать большое магнитное поле, а это дорого, потому что подразумевает использование дорогих сверхпроводников. Оказывается, что дешевле увеличивать длину многопробочных участков, чем увеличивать магнитное поле.
Комплекс атомарной инжекции будет состоять из восьми инжекторов мощностью 1 МВт и длительностью 1 сек. Атомы разгоняются до энергии 40 кэВ (тыс. электрон-вольт). ИЯФ является мировым лидером по разработке и изготовлению подобных приборов. Проблемы с технологией нет, были бы деньги. Каждый инжектор стоит порядка миллиона долларов, себестоимость, конечно, меньше, но всё равно это самая дорогая часть установки.
Очень важной частью установки будут электронные пучки. Кроме дополнительного нагрева плазмы, они должны будут поддерживать её электрический потенциал и генерировать звук в многопробочных участках. Их будет две штуки. По одному импульсно-периодическому инжектору в каждом расширительном баке, мощностью 5 МВт и энергией 50 кэВ.
Расчётная плотность плазмы составит 1-5*1014 в кубическом сантиметре. Это примерно в сто тысяч раз меньше, чем плотность молекул в атмосферном воздухе. Однако для горячей плазмы это большая плотность. Достаточно сказать, что её давление будет сравнимо с атмосферным.
Расчётная температура электронов — 1-2 кэВ. На ГОЛ-3 такая температура электронов получена, но она достигается за счёт очень мощного электронного пучка. В ГДМЛ мы хотим достичь примерно такой же температуры за счёт более качественного удержания плазмы. Большая температура электронов позволяет дольше удерживать в ловушке быстрые ионы, соответственно возрастает расчётный выход мощности термоядерных реакций. Если считать, что плазма состоит из дейтерия и трития, и отнести термоядерную мощность к затратам мощности на нагрев плазмы, то получится параметр QDT. Он характеризует эффективность удержания плазмы в ловушке. Сейчас на наших установках QDT
Чтобы реализовать эти параметры, нужно уже сейчас начинать поддерживающие эксперименты на тех двух установках, которые у нас есть. Мы так и делаем. Например, проводим эксперименты по течению плазмы через один или несколько пробкотронов. Сейчас, как вы могли видеть, к ГДЛ присоединена маленькая ловушечка, она выполняет функцию одной гофры гофрированной системы. Мы проверяли, работает ли при плотности плазмы ГДЛ принцип гудения трубы. Предварительные результаты говорят, что работает — значит, и на ГДМЛ, скорее всего, заработает. Идут эксперименты по разработке электронных пучков для ГДМЛ.
- Будут ли у ГДМЛ приложения?
- Да, будут, и очень полезные. В первую очередь ГДМЛ — это эксперимент для испытания новых принципов устройства термоядерного реактора. Однако есть цели и поближе.
Первое приложение — это мощный нейтронный источник для материаловедения. Его энергетическая эффективность может быть скромной, QDT=1-10%. Эти параметры должны быть достигнуты уже в ГДМЛ, при длине ловушки тридцать метров.
Следующее приложение требует QDT больше 15 процентов и называется драйвером подкритичного ядерного реактора. Большинство реакторов работают на медленных нейтронах, которые специально замедляются, чтобы вызвать реакцию в уране-235. Основная часть урана при этом остаётся бесполезной. Для того чтобы она стала источником энергии, используются реакторы на быстрых протонах, и как раз за этой системой будущее ядерной энергетики. Потому что того урана, который делится сейчас, осталось немного. Но зато есть большие запасы обеднённого урана. И его можно использовать как топливо, но для этого необходим поджиг. «Поджигать» его можно, в частности, термоядерным источником нейтронов. Такие же параметры термоядерной установки требуются для создания реактора-дожигателя ядерных отходов. Но, конечно, это ядерная энергетика, и если использовать термоядерный реактор в таком качестве, он должен быть обложен радиоактивным веществом. А следовательно, встаёт вопрос безопасности. В связи с ситуацией на «Фукусиме» это приложение может отпасть вообще.
Следующий этап — гибридный реактор. Термоядерный реактор можно обложить «одеялом», заполненным урановыми топливными сборками, и получится гибридный реактор. Его преимущество в том, что он глубоко подкритичен. Это значит, что если плазменная установка остановится, то без дополнительной аварийной защиты выключится и сам реактор. Плазму очень сложно зажечь, но зато «выключить» легче лёгкого.
Чтобы построить чисто термоядерный реактор (без урана), QDT должно превышать значение 10. В рамках конструкции ГДМЛ длина ловушки будет порядка трёхсот метров.
И наконец, на основе ГДМЛ можно построить дейтериевый реактор, в котором не будет использоваться тритий. С этой точки зрения реактор будет гораздо более «чистым» и безопасным. Такая двухкилометровая «труба» по расчётам всё равно должна стоить меньше, чем установка системы ITER. Но до этого приложения нам ещм очень далеко.
- Как скоро можно будет начать строительство и эксперименты?
- Если будет финансирование, то через четыре года после начала строительства установки, а если «на подножном корму», то через шесть лет. Но в этом случае придётся строить ловушку из металлолома, и в итоге получится несколько другая установка.
- А как обстоят дела с финансированием?
- Нам удалось вписаться в программу «Росатома» по финансированию термоядерных исследований, но в том, что деньги до нас в итоге дойдут, уверенности нет (так как бюджет распределяется между теми, кто ближе к Москве). В основном финансово поддерживаются проекты на основе токамаков, а мы считаемся альтернативным направлением. Вот, например, Курчатовскому институту «Росатом» обещает помочь в обновлении токамака Т-15. Но даже если им и дадут эти деньги, у меня есть сомнения в том, что они доведут дело до конца, так как работать у них некому — совсем не осталось молодёжи.
- Настолько остро стоит проблема?
- На мой взгляд, да. В Москве культ золотого тельца, поэтому привлечь студента к науке практически невозможно. В этом плане нас спасает то, что мы далеко от столицы. Молодёжь в науке — это очень сложный вопрос. Вот, например, Россия выделяет немалые средства на проект ITER, и туда нужно посылать людей, чтобы они учились и привозили обратно ноу-хау. И кого посылать? Некого.
- Как именно, кстати, Россия участвует в проекте ITER?
- Наш вклад оценивается в 10 процентов. Но это не денежные вложения, а просто мы строим здесь за свой счёт части токамака и отправляем туда. Правда, большую часть строительства пролоббировали люди, которые производят сверхпроводники, а это значит, что мы не столько вкладываемся интеллектуально, сколько поставляем большие железяки.
- Если всё сложится удачно и новая ловушка будет построена, как Вы оцениваете её перспективы? Изменит ли она что-то в области УТС?
- Во-первых, можно будет построить аналогичную ловушку в атомном городке, запустить туда тритий и проводить исследования материалов. Но главное — на основе того, что получится, мы можем начать проектирование термоядерного реактора и дожигателя термоядерных отходов.
По рисунку, который я сделал, видно, почему дальнейшее развитие токамаков проблематично и почему в качестве термоядерного реактора открытые ловушки являются перспективной системой. Горизонтальная ось — это стоимость строительства установки, вертикальная — QDT — отношение термоядерной энергии к энергии разогрева плазмы. Величина QDT зависит от качества удержания плазмы, то есть времени жизни частиц в ловушке. Когда QDT = 1, это означает, что выделяется столько же термоядерного тепла, сколько было затрачено на нагрев плазмы. Большие токамаки сейчас примерно единице и соответствуют.
Видно, что у токамаков есть степенная зависимость качества удержания от размера, а значит, и от стоимости. Это приводит к тому, что все токамаки попадают на прямую с низким наклоном; то есть попросту, чтобы сделать эффективную установку, нужно потратить крупную сумму. Если мы хотим достичь энергетической эффективности на основе токамака, это будет стоить 16 млрд. евро. Это много. А для открытых ловушек зависимость стоимости от качества удержания другая. Если использовать с обеих сторон по одной пробке, то такая зависимость будет немного круче, чем для токамаков. А если использовать многопробочное удержание, то линия будет совсем крутая.
Какой вывод можно сделать из графика? Маленькие открытые ловушки дороже, чем токамаки, на токамаках можно получить гораздо лучшие параметры. Но если увеличивать размеры, то стоимость открытых ловушек растёт медленнее. Стоимость токамака пропорциональна кубу размера. А открытую ловушку просто удлиняют, поэтому она пропорциональна первой степени, то есть длине этой ловушки.
Роль ГДМЛ в данной схеме в том, чтобы поставить начальную точку, через которую надо проводить теоретические зависимости. А чтобы этим зависимостям поверили, придётся делать ещё и дальнейшие эксперименты.
- А как на ваши планы отреагировали физики с токамаков?
- Для них наша работа не представляет интереса, потому что пока мы сильно отстаём от токамаков по многим параметрам. Никто не верит в теоретические скейлинги, если параметры меняются больше, чем в десять раз. Так что кривая, которая там нарисована, теоретическая. Предсказательность в данном случае ограничена. Пока мы говорим только о сжигателе отходов и о продвижении в область материаловедения. А уже следующим шагом станет термоядерный реактор.
Терралаб
Электронные ридеры: E-Ink или TFT?
Люди старой закалки, привыкшие регулярно посещать библиотеки и хранящие у себя дома сотни или даже тысячи бумажных книг, не могут понять: как, ну как в одной компактной пластиковой коробочке — электронном ридере — может поместиться вся та литература, что занимает у них добрые полквартиры? Если удастся доказать такому человеку, что это реально, и продемонстрировать «читалку» в действии, то начнутся традиционные придирки: мол, и неудобная она, и стоит очень дорого, и ощущения настоящей книги не обеспечивает — того самого хруста бумажных страничек, который все мы любим с детства (впрочем, хруст как раз дело наживное: японские инженеры уже сегодня доводят до ума «трещотку», которая позволит электронным книгам обрести черты бумажных).
Так или иначе, а количество людей, решившихся оценить преимущества электронных ридеров, растет год от года: если в 2009 году в России было продано 189 тыс. читалок, то в 2010 — уже 539 тыс., то есть рост составил 285% (здесь и далее — по данным агентства SmartMarketing). Конечно, далеко не каждый из купивших ридер остается верным такому способу чтения на всю оставшуюся жизнь, и все равно — цифры впечатляющие.
Классические электронные ридеры с экранами E-Ink («электронные чернила») и Sipix (они несколько хуже «чернил» по качеству и встречаются в ридерах крайне редко, но в силу особенностей конструкции позволяют реализовать в устройстве емкостный дисплей с возможностью комфортного пальцевого управления) по итогам 2010 года заняли 88,74% рынка, тогда как 11,26% пришлось на долю «читалок» с TFT-дисплеями.
Итак, что же лучше — E-Ink или TFT? Этот вопрос весьма актуален по той причине, что TFT-экранами снабжены не только цветные «читалки», но и все присутствующие на рынке планшеты, которые зачастую позиционируются разработчиками как устройства для чтения и несут на борту соответствующее ПО. Самый яркий пример этой тенденции — iPad. Хотя на том же Samsung Galaxy Tab тоже есть софт для чтения электронных книг...
Причина появления «читалок» с несенсорными экранами TFT элементарна: такие матрицы ощутимо дешевле в производстве: 15-20 долларов за штуку против 50-60 в случае стандартного 5-дюймового «электронночернильного» дисплея (данные компании PocketBook). И если средняя модель с экраном E-Ink в прошлом году стоила 7-8 тысяч, а теперь — 6-7 (топовые модели с «полным фаршем» все еще стоят по 8-10 тысяч, однако таких устройств меньшинство), то TFT-ридер можно сегодня взять в среднем за 4 тысячи.
Экономия очевидна — как для компаний, так и для потребителей: несмотря на все недостатки TFT-экранов при использовании в ридерах, цветные «читалки» все же отвоевали чуть больше десятой части рынка. В численном выражении это соответствует 61 тыс. реализованных в 2010 году устройств. В общем, благодаря относительной дешевизне технологии на рынок TFT-ридеров бросились все кому не лень.
Одним из пионеров данного направления в России стал бренд Wexler с моделью Wexler.Book T7001: семидюймовый экран, 4 Гб памяти, качество сборки значительно ниже среднего, цена на уровне трёх с лишним тысяч рублей. И, как сейчас модно выражаться в интернете, PROFIT!!! Просто массовый потребитель в большинстве своем безграмотен и не осведомлен о недостатках тех или иных технологий. Он видит цену — и сразу готов приобрести продукт, не задумываясь, что для чтения тот годится не лучшим образом.
Еще один пример из жизни: в начале 2011 года на рынок электронных ридеров вышла компания "Лаборатория «Лександ», ранее занимавшаяся GPS-навигаторами; желая действовать в нескольких «электроннокнижных» направлениях, она анонсировала две модели — Lexand LE-106 с экраном E-Ink и Lexand LT-105 с дисплеем TFT. По объему памяти, процессору и прочим параметрам они практически одинаковы (типичные «читалки» среднего класса: не плохие, но и ничем особо не примечательные), однако первая модель стоит около шести тысяч, а вторая — всего четыре. Разница ушла на более дорогой экран E-Ink.
В чем преимущества «электронный чернил» и примкнувшей к ним технологии Sipix? Во-первых, по оптическим свойствам экраны E-Ink похожи на обычную бумагу: сероватая подложка, черные или тёмно-серые буквы (конечно, есть варианты: самые современные дисплеи E-Ink Pearl ощутимо контрастнее решений предыдущих поколений, но и они, в свою очередь, весьма комфортны). Кроме того, в экранах E-Ink нет встроенной системы подсветки, которая может утомлять глаза при чтении с дисплеев TFT. Конечно, «запас прочности» у глаз каждого человека разный, но в большинстве случаев пользователю будет комфортнее читать именно с экранов E-Ink или Sipix.
(Естественно, найдутся люди, которые скажут: «Я уже десять лет читаю с ЖК-монитора по пять часов в сутки и при этом могу разглядеть муху с расстояния в сто метров». Но это, скорее, исключение из правил, обусловленное особенностями зрения конкретного человека.)
Во-вторых, экономичность: дисплеи тратят заряд аккумулятора только в момент смены изображения, так что автономную работу «электронночернильных» ридеров стоит оценивать не временем, а количеством перевернутых виртуальных страниц. Производители обычно обещают, что заряда хватит на прочтение 7-15 тысяч страниц. Подобные заявления, конечно, к действительности это отношения не имеет, но месяц в режиме «пара часов чтения в день» ридер протянуть без розетки может. Для сравнения: модели с TFT-экраном «живут» не более 8-10 часов.
В-третьих, экраны E-Ink практически не бликуют и не «слепнут» на солнце, в отличие от своих «коллег» из стана TFT. То есть читать с помощью классических ридеров можно и в парке на скамейке — безо всяких помех для восприятия информации:
В недавней рекламе читалки Kindle отсутствие бликов преподносится как её главное преимущество перед iPad.
Но есть свои приятные особенности и у TFT-ридеров. В частности, они могут отображать фотографии в цвете и видеоролики; не факт, что эти возможности вообще необходимы устройству для чтения, но ведь и камеры в мобильниках при всем их низком качестве сегодня являются обязательной опцией — людям нужны «комбайны». Кроме того, тот же журнал в формате PDF куда удобнее рассматривать именно на TFT-экране.
Возможно, интересным компромиссом в данном «споре технологий» являются гибридные устройства вроде Spring Design Alex, продающегося в России под брендом Highscreen. Здесь предусмотрено сразу два дисплея: один привычный для ридеров «электронночернильный», второй — TFT. То есть в данной модели есть и средство для комфортного чтения, и инструмент для просмотра видео и фото, интернет-серфинга и даже запуска приложений (в «Алексе» установлена операционная система Android).
Правда, едва ли в обозримом будущем на рынке появится масса подобных устройств от разных брендов: недавно Spring Design выиграла патентный спор с Barnes & Noble (разработчик ридеров Nook, которые также оснащаются двумя экранами; впрочем, TFT-матрица в них и используется только для управления), и продала последней лицензию на производство «двуэкранных» ридеров. Продаст ли кому-нибудь еще — неизвестно.
Остается добавить, что TFT-экраны заметно прочнее, чем E-Ink: последние сравнительно хрупки, и обращаться с такой «читалкой» стоит весьма аккуратно. А именно: переносить в чехле, не ронять даже с высоты полуметра на мягкий диван... Вообще говоря, чем выше жесткость корпуса «читалки» с экраном E-Ink на кручение, тем лучше: целее будет. Этого можно добиться разве что применением в конструкции металла, а он, увы, достаточно дорогой. Та же компания PocketBook, один из лидеров российского рынка, вполне может позволить себе использовать его в «читалках», а бренды помельче и побезответственней могут и пластик с заусенцами задействовать — ведь так дешевле.
И здесь мы сталкиваемся с особенностью российского рынка ридеров: если пару лет назад на нем присутствовала, допустим, полудюжина брендов, которые еще более-менее следили за качеством и технической составляющей устройств, а также выбирали для сотрудничества только самых лучших и проверенных азиатских партнеров, то теперь игроков на этом рынке более двадцати.
Поделиться книгой: