2. ТЕРМОЯДЕРНАЯ ПЛАЗМЕННАЯ ГОРЕЛКА FUSION TORCH

: общие сведения : : принцип действия : : утилизация отходов : : генерация излучения : : активация реакций : : прогнозы и реальность : : линия горизонта :

История появления проекта Fusion Torch, его суть и назначение уже были описаны ранее (см. в главе 1 п.1.2 Государственный ученый). Здесь проект Fusion Torch будет рассмотрен более подробно, а также будет описана его дальнейшая судьба.

 

Концепция Fusion Torch была изложена в служебном документе Отделения исследований Комиссии по атомной энергии США под названием The Fusion Torch - closing the cycle from use to reuse (Термоядерная плазменная горелка: замыкание цикла от использования к повторному использованию) за номером WASH-1132 от 15.05.1969.

Документ разбит на 4 части. В части I рассматривается проблематика индустриального общества, связанная с грядущим дефицитом энергоресурсов и полезных ископаемых, а также загрязнением окружающей среды. Делается вывод о перспективности термоядерной энергии как кардинального средства решения указанных проблем. Эта часть содержит, преимущественно, статистический материал и прогнозы, поэтому в контексте настоящего обзора интереса не представляет, однако отдельные ее положения будут использованы по ходу изложения.

Рис.2.1. Истоки проекта Fusion Torch

 

В части II рассматриваются физические принципы и технические решения, лежащие в основе проекта Fusion Torch, в части III - технологии извлечения и сортировки химических элементов, содержащихся в отходах, в части IV - решения по трансформации энергии термоядерной плазмы в энергию излучений и в части V приводится краткая справка по направлениям возможного использования плазменной горелки в химических технологиях.

В преамбуле к проекту дается оценка состояния и перспектив освоения управляемого термоядерного синтеза и делается вывод об успешном продвижении к решению задачи использования термоядерной энергии в промышленных масштабах.

Далее рассмотрим содержание частей II-V и преамбулы более подробно, но в несколько ином делении, более подходящем для настоящего обзора.

 

Примечание. Идея концепции Fusion Torch была доведена до общественности за год до выхода рассматриваемого документа в статье Истлунда и Гоу, опубликованной в бюллетене Американского Физического Общества (B.J.Eastlund and W. C. Gough, The Fusion Torch, Bull. Am. Phys. Soc., 1564, 1968). Данная статья в свободном доступе отсутствует. В 1971 г. проект был описан в научно-популярной статье авторов The Prospects of Fusion Power, опубликованной в журнале Scientific American. В том же году в USAEC вышел еще один документ тех же авторов - Energy, Waste, and the Fusion Torch. Washington, D.C., U.S. Atomic Energy Comission, April 27, 1971, в котором, в числе прочего, конкретизировалась концепция использования Fusion Torch для утилизации отходов. Данный документ в свободном доступе также отсутствует, однако отдельные его положения и иллюстрации нашли отражение в обзоре Марджори Мэйзел Хечт (Marjorie Mazel Hecht) Fusion Torch: Creating New Raw Materials For the 21st Century.

 

Концепция Fusion Torch основана на использовании сверхгорячей плазмы термоядерного реактора для решения следующих двух задач:

• для диссоциации до атомарного уровня и/или ионизации любого твердого, жидкого или газообразного вещества с последующей сортировкой и отбором атомов нужных химических элементов;
• для создания излучения сверхвысокой мощности - оптического, ультрафиолетового или рентгеновского, которое может быть использовано для объемного воздействия высокой энергией на текучие субстанции (жидкости и газы) с целью их нагрева, обеззараживания, активации реакций и т.п.

Первая задача является главной в концепции, поскольку непосредственно связана с решением главных проблем индустриального общества - загрязнения окружающей среды и дефицита материальных ресурсов. Вторая задача является сопутствующей, поскольку технология Fusion Torch позволяет ее решить.

Схема горелки приведена на рис.2.2.

Рис.2.2. Схема горелки Fusion Torch (заштрихованы поток плазмы и стенка камеры)

 

Region I/II/II - зоны I/II/III; Fusion Plasma Sоurce - первичный поток термоядерной плазмы; Vacuum Chamber Wall - стенка вакуумной камеры; Connection and Isolation - соединение и изоляция; Baffles - ловители нейтральных атомов; Interaction Zone - интерактивная зона плазмы; B - движение потока плазмы (источник иллюстрации: проект Fusion Torch).

 

Первичный поток термоядерной плазмы поступает в зону I из термоядерного реактора за счет естественной утечки из него либо путем перенаправления с помощью магнитного поля. Конфигурация потока в зонах I-III также поддерживается помощью магнитного поля, создаваемого электромагнитными катушками (на данной схеме не показаны, см. ниже схему обработки материалов). Зона II служит для реконфигурации потока плазмы с целью «настройки» ее параметров (плотности, кинетической энерги частиц и их температуры) в интерактивной зоне III, где происходит взаимодействие плазмы с инжектируемыми в нее материалами. Кроме того, зона II препятствует обратной диффузии из зоны III в зону I ионов материалов, а ловители препятствуют обратной диффузии из зоны III нейтральных частиц, выходящих за пределы потока плазмы.

Поток плазмы описывается системой уравнений сохранения массы, количества движения (импульса) и энергии. Проектирование горелки сводится к решению этих уравнений при заданных граничных условиях, к которым могут быть отнесены параметры исходной плазмы, требуемые параметры в интерактивной зоне, ограничения на размеры и геометрию и др.

При использовании в термоядерном реакторе дейтерий-тритиевого цикла генерируется поток нейтронов с энергией до 14 Мэв, который может наводить нежелательную радиацию в конечном продукте и связанном с ним оборудовании. Для устранения данной проблемы может быть использована горелка специальной конфигурации с защитными экранамм и поглощающими покрытиями (см. рис. 2.3), при этом требуемое изменение направления потока плазмы обеспечивается конфигурацией удерживающего плазму магнитного поля.

Рис.2.3. Дейтерий-тритиевый цикл и схема горелки с нейтрализацией нейтронов.

(источник графики для иллюстрации: проект Fusion Torch)

 

 

 

 

Утилизация отходов с помощью горелки Fusion Torch предусматривает два процесса:

• диссоциацию материала отходов до уровня атомов и/или ионов путем введения их в поток высокотемпературной плазмы горелки;
• последующю сортировку атомов и/или ионов по видам материалов с разделением на соответствующие фракции.

Схема введения твердых фракций отходов в горелку Fusion Torch показана на рис.2.4. В результате воздействия сверхвысокой температуры термоядерной плазмы, достигающей нескольких десятков миллионов градусов, эти фракции распадаются на атомы, которые далее ионизируются. В результате на выходе формируется смешанная низкотемпературная плазма, содержащая компоненты исходной плазмы и компоненты утилизируемых отходов. Полученная таким образом плазма направляется в устройство сепарации.

Рис.2.4. Cхема введения отходов в горелку Fusion Torch

Magnets - магнитные катушки; Solids - инжектируемые в плазму твердые частицы утилизируемых отходов; Magnetic field holds plasma away - магнитное поле направляет плазму на выход; High temperature plasma formed from the solid - высокоиемпературная плазма, полученная из твердых частиц, To separation - на сепарацию. (Источник иллюстрации: B.J.Eastlund and W. C. Gough. Energy, Waste, and the Fusion Torch. Washington, D.C., U.S. Atomic Energy Comission, April 27, 1971)

 

Согласно приведенным в документе теоретическим выкладкам при контакте сверхгорячей плазмы с поверхностью твердых частиц в последних должна возникать ударная волна высокой энергии, которая должна вызывать за очень короткий временной интервал их испарение, последующую диссоциацию на атомы и ионизацию последних. Данный процесс, как утверждается в проекте, возможен только при очень высоких плотностях потока энергии - порядка 10^10 дж/см^2c., что недостижимо для традиционных источников высокотемпературной плазмы, например, для аргонно-дуговых плазменных горелок, где плотность потока энергии не превышает 10^4 дж/см^2c. Вместе с тем в проекте отмечено, что требуемое для ударной ионизации значение плотности потока энергии достижимо для лазеров.

 

Для выделения из плазмы на выходе горелки требуемых химических элементов в проекте было предусмотрено использование несколько различных технологий - электромагнитное разделение, быстрое охлаждение, метод селективной рекомбинации и метод обмена зарядами.

Электромагнитное разделение. Этот метод используется для разделения изотопов по атомному весу. Он основан на том, что при одинаковом заряде величина отклонения траектории ионов магнитным полем зависит от их массы. Используя это свойство можно ионы химических элементов с заданным атомным весом направлять в заданные ловушки. Метод позволяет с высокой точностью разделять ионы с любыми, в т.ч. и с близкими атомными весами, но малопроизводителен, энергоемок и дорог.

Метод быстрого охлаждения. Этот метод широко используется в плазменной химии. Он заключается в быстром охлаждении плазменной струи на выходе путем инжекции в нее струи холодного газа, пропусканием ее над охлаждаемой поверхностью или путем ее резкого расширения. При быстром охлаждении (в микросекундном интервале) успевают образоваться молекулы газов, но не успевают кристаллизоваться металлы, т.к. для этого им требуется большое число соударений и, соответственно, больший временной интервал. таким образом создается т.н. конденсационны барьер. Это позволяет быстро отделять легкие элементы - в первую очередь кислород из окислов, а также водород и углерод из других соединений. Этот метод дешев, не требует затрат энергии и может использоваться для обработки рудных материалов, металлического лома, сплавов и пластиков.

Метод селективной рекомбинации. Заключается в поддержании параметров плазмы на выходе - температуры, кинетической энергии и плотности, оптимальных для рекомбинации с электронами ионов заданного элемента. В результате атомы селектируемого элемента осаждаются на стенках камеры сепаратора, а остальные элементы, присутствующие в плазме, выносятся с потоком наружу. Данный метод может использоваться для тех же видов отходов, что и предыдущий, однако он требует бОльших затрат.

Метод обмена зарядами. Метод основан на том, что при определнных параметрах плазмы может происходить обмен электронами атомов инжектируемого в поток плазмы газа с ионами сепарируемого элемента, в результате чего последние замещаются ионами инжектируемого газа, а атомы сепарируемого элемента осаждаются на стенках камеры. Данный метод дешев, пригоден для всех элементов, однако на момент разработки проекта оценивался как неотработанный.

 

Для генерации излучения в поток плазмы вводятся атомы тяжелых элементов, которые в результате их возбуждения высокой температурой генерируют излучение в соответствии с присущим им дискретным спектром. Т.о., инжектируя в плазму химические элементы с разным атомным весом, можно управлять частотными параметрами излучения, при этом в излучение переходит бОльщая часть кинетической энергии плазмы. В проекте отмечается, что наибольший интерес представляет ультрафиолетовое излучение, которое может быть использовано для мгновенного нагрева до кипения больших объемов морской воды в опреснительных установках, для обеззараживания воды, воздуха, помещений, территорий, биологических отходов, активации фотохимических реакций и т.д. Схема реализации такой установки приведена на рис.2.5

Рис.2.5. Cхема обработки воды УФ излучением с использованием горелки Fusion Torch

(Источник графики для иллюстраций - проект Fusion Torch)

 

Оптимальным в такой установке является излучение с длиной волны 1850 А°. На данной длине волны поглощение УФ излучения кварцевым окном толщиной 1 см составит не более 1 процента, а величина эффективной абсорбирующей толщи воды составит около 1 метра. Максимальный поток ультрафиолетовой энергии при этом может измеряться мегаваттами на квадратный метр.

 

В проекте кратко упомянуто еще одно возможное применение термоядерной горелки - активация химических реакций, для протекания которых требуется моноатомная и/или ионная форма реагентов. Схема такого использования предусматривает создание исходной плазмы на основе одного реагента и введение в ее поток другого реагента в молекулярном виде (см. рис.2.6). За счет высокой энергии плазмы молекулярный реагент диссоциирует на отдельные атомы, что обеспечивает его требуемую реакционную способность. Далее диссоциированный на атомы элемент смешивается с потоком плазмы, в которой уже присутствуют другие необходимые реагенты, при этом за счет высокой турбулентности потока обеспечивается эффективное смешивание, повышающее скорость протекания реакции.

Рис.2.6. Cхема использования горелки Fusion Torch в химических реакциях

(Источник графики для иллюстрации - проект Fusion Torch)

 

В 60-е годы прогресс в управлении термоядерной реакцией шел семимильными шагами, прежде всего в части достижения ультра-высоких температур. Всего за десять лет, с середины 50-х до середины 60-х, температура плазмы на установках Лос Аламосской Лаборатории была повышена с 5 миллионов градусов (установка Columbus) до 80 милионов градусов (установка Scylla VI). Трудности, связанные с чрезвычайно коротким временем поддержания реакции (единицы и десятки миллисекунд), казались быстропреодолимыми.

Экстраполируя данные достижения, авторы Fusion Torch предполагали, что управляемые термоядерные реакторы заработают в самое ближайшее время и каждый город или жилой район будет получать неограниченные энергетические ресурсы от расположенного в нем экологически чистого высокопроизводительного термоядерного центра (см. рис.2.7)

Рис.2.7. Город будущего с термоядерным центром в представлении авторов Fusion Torch

(Источник иллюстрации - проект Fusion Torch)

 

Однако уже через несколько лет стало очевидно, что прогресс в области управляемого термоядерного синтеза резко застопорился и прорыва в ближайшем будущем ожидать не стоит. Следствием такого прогноза стало урезание в США финансирования исследований в области термоядерной энергетики.

Для поддержания статуса значимости проекта и привлечения на будущее возможных партнеров и единомышленников Истлунд и Гоу вместе с третьим участником - Джорджем Майли (George H. Miley) создали интернет-сайт Fusion Torch. На данном сайте были изложены краткая история и теоретические основы теромядерной энергетики, краткая справка по проекту Fusion Torch со ссылками на сайт последней компании Истлунда Eastlund Scientific Enterprises Corporation.

Кроме того, на данном сайте дается оценка достигнутого уровня техники управляемого термоядерного синтеза по состоянию на 1969, 1998 и 2007 годы, а также приводятся прогнозы на дальнейшую перспективу. При этом ставится вопрос: в том ли направлении движется наука, если требуемый результат так и не достигнут? В качестве альтернативы предлагается бизнес-план по созданию компанией NPL Associates Inc., принадлежащей Дж.Майли, компактных термоядерных реакторов с циклом p-B11 с электростатической системой удержания плазмы IEC (концепция Fusion II).

В настоящее время сайт по-прежнему доступен, однако после 2007 года не развивается, а многие ссылки уже ведут на несуществующие ресурсы.

 

На сегодняшний день мечта о светлом будущем, которое должна была бы обеспечить термоядерная энергия, так и остается мечтой, линией горизонта, «которая, сколько бы к ней не стремились, все удаляется и удаляется» (с). В этом контексте проект Fusion Torch является не более, чем красивой утопической идеей.

Ну, а если бы все с термоядерной энергией пошло по прогнозу Истлунда и Гоу? Тогда, наверняка, на пути проекта Fusion Torch встали бы другие, чисто технические преграды, связанные с конструкцией различных узлов, подбором сверхтермостойких материалов, разработкой системы контроля и управления, которая должна успевать реагировать за тысячные доли секунды, с технологией подготовки и инжектирования в плазму отходов, техникой сбора и трансформации в пригодную для использования форму отсортированных атомов и т.д. А после решения этих вопросов на повестку дня обязательно должны выйти вопросы достижения заданной производительности и экономической эффективности - сколько блестящих проектов, доведенных до стадии исправно работающих образцов, отправились в мусорную корзину из-за того, что оказались непригодными для практики именно по этим составляющим? Вобщем, «гладко было на бумаге...» (с). Да и с «бумагой» тоже не все в ажуре, т.к. принципиальные вопросы реализации, производительности и эффективности в проекте не затронуты в принципе. И это еще раз подчеркивает его утопический характер, что, впрочем, и не существенно для главной отведенной ему роли - прокламации в борьбе за финансирование термоядерных проектов.

 

Непроработанность в концепции Fusion Torch целого ряда вопросов, связанных с реализацией, позже признавал и сам Истлунд. Например, в преамбуле к патенту US-5630880 на плазменный процессор LVPP он писал: These papers, and other papers on Fusion Torch ... were in general terms, did not address high atomic number radiation loss containment problems and did not specify how to build such devices for process applications.

 

Впрочем, для молодых перспективных ученых это было не суть важно - работа над проектом, его популяризация и высокая публичная оценка дали им мощный импульс для генерации новых идей и разработки новых проектов. Но об этом - в последующих главах.

 

* * *

Проект Fusion Torch и его проблематика освещались Истлундом дополнительно в следующих работах:

1. B.J.Eastlund and W.C.Gough, «The Fusion Torch», Bull. Am. Phys. Soc.,1564, 1968.

2. B.J.Eastlund and W.C.Gough, «The Fusion Torch - Unique Applications of Ultra-High Temperature Plasmas», Proceedings of the British Energy Society Conference on Nuclear Fusion Reactors, Culham, September 17, 1969.

3. B.J.Eastlund, «Pollution Control is Elementary With Fusion Plasmas», Conference on Industry and Tomorrow's Society, June 9, 1970, Montreal, Canada.

4. B.J.Eastlund and W.C.Gough, «The Fusion Torch - Closing the Cycle from Use to Re-Use», AIAA 8th Aerospace Sciences Meeting, New York, N.Y., Jan. 19-21, 1970.

5. W.C.Gough and B.J.Eastlund, «The Prospects of Fusion Power», Scientific American, February, 1971.

6. W.C.Gough and B.J.Eastlund, «Energy, Wastes and the Fusion Torch» Division of Physical Research, U.S.A.E.C., April 27, 1971.

7. B.J.Eastlund and W.C.Gough, «Generation of Hydrogen by Ultraviolet Light Produced by the Fusion Torch», Proceedings of the 163rd meeting of the American Chemical Society, Boston, MA, April, 1972.

8. W.C.Gough and B.J.Eastlund, «The Fusion Torch», Environmental Engineers Handbook, Vol. 3, B.G.Liptak (ed), Chilton Book Co., Philadelphia, 1974.

9. B.J.Eastlund and W.C.Gough, «Near Term Recycling Options Using Fusion Grade Plasmas», Fusion Technology, Vol. 20, Dec. 1991.

10. B.J.Eastlund, «A Market Oriented Approach to Fusion Technology», Journal of Fusion Energy, V.12, p.335, 1993.

* * * * *

 

 

Опубликовано 15.05.2019. Последнее изменение - нет.

© Janto 2019 Все права защищены