Critical Thinking: термояд в гараже — реакции есть, энергии нет

Почему фузор Фарнсуорта–Хирша так и не стал домашней электростанцией. Разбор методами ТРИЗ

Мечта, которая почти сбылась

Вакуумная камера. Внутри — небольшая проволочная сетка. Баллон с дейтерием, источник высокого напряжения, вакуумный насос. Несколько доступных деталей, стол в подвале — и внутри установки начинается термоядерный синтез. Детектор считает нейтроны, а нейтроны врать не умеют: ядра дейтерия действительно сливаются.

Это не фантастика и не рекламный трюк. Такие аппараты строят университетские лаборатории, инженеры-любители и школьники. В 2008 году четырнадцатилетний Тейлор Уилсон собрал фузор в подвале физического факультета Университета Невады и стал самым молодым человеком, добившимся термоядерного синтеза.

Устройство называется фузор Фарнсуорта–Хирша. Придумал его Фило Фарнсуорт — тот самый инженер, которому мир обязан электронным телевидением; конструкцию довёл Роберт Хирш в конце 1960-х. Работали они над ней в компании ITT и целили именно в энергетику: предполагалось, что из этой схемы вырастет компактный термоядерный реактор. Не выросло. Разобраться, почему, полезнее, чем просто зафиксировать факт.

Три условия, из которых выполнено одно

Чтобы термоядерная установка отдавала больше энергии, чем потребляет, мало разогнать частицы. Нужно выполнить три условия сразу: топливо должно быть достаточно горячим, чтобы ядра преодолевали взаимное отталкивание; достаточно плотным, чтобы столкновений было много; и удерживаться достаточно долго, чтобы выигрыш успел накопиться раньше, чем энергия утечёт наружу. Вокруг произведения этих трёх величин крутится вся термоядерная энергетика.

Приложим эту тройку к фузору.

Температура — выполнено, причём с запасом. Ион, разогнанный десятками киловольт, по энергии эквивалентен веществу, нагретому до сотен миллионов градусов. Это горячее, чем в центре Солнца.

Плотность — провал. Внутри камеры почти вакуум, и иначе быть не может: при заметном давлении ионы растеряли бы энергию по дороге к центру. Требования «разогнать без помех» и «столкнуть почаще» тянут давление в противоположные стороны.

Время удержания — провал. Упорядоченная жизнь иона измеряется считанными проходами через центр. Сетка, фоновый газ или соседняя частица собьют его гораздо раньше, чем ему выпадет редкий шанс на полезное столкновение.

Картина складывается сама: фузор блестяще решает ту часть задачи, которая решается напряжением на клеммах, и не решает две оставшиеся, которые решаются удержанием. А напряжение — самая простая и дешёвая часть.

Как он устроен и где теряется энергия

В камеру подают дейтерий. Между наружным корпусом и внутренней отрицательно заряженной сеткой создают напряжение — обычно десятки киловольт. Положительные ионы дейтерия срываются к центру, разгоняются, проскакивают сквозь сетку, сталкиваются в центральной области.

Ионы чаще попадают в сетку, чем друг в друга. Сетка обязана быть материальной, чтобы создавать поле, и обязана быть прозрачной, чтобы пропускать ионы. Полностью прозрачной она быть не может. Пойманный ион выбывает из игры навсегда, а вся энергия, которую он получил от источника, идёт в нагрев катода. Перехват рециркулирующих ионов сеткой — одна из главных тепловых потерь такой схемы.

Вероятность полезного столкновения крайне мала. Ядра дейтерия заряжены одноимённо и отталкиваются. Даже при десятках килоэлектронвольт сечение синтеза остаётся небольшим. Ион, летящий через центр, гораздо охотнее пролетит мимо, столкнётся упруго, врежется в нейтральную молекулу, обменяется зарядом или уйдёт в электрод, чем вступит в реакцию. Красивое свечение в центре камеры — это не мера синтеза, это просто свечение.

Продукты реакции не поддерживают процесс. В настоящем реакторе энергия продуктов возвращается топливу и разогревает его — так возникает самоподдерживающееся горение. В фузоре плотность мала, время удержания коротко, заряженные продукты быстро уходят на сетку и стенки, а нейтроны вообще покидают камеру. Цепочка самонагрева не замыкается.

«А если сделать побольше?»

Интуиция подсказывает: раз маленький аппарат даёт мало, надо увеличить размер, напряжение и плотность.

Не работает. Вместе с полезным процессом растут и вредные: ток на сетку, её нагрев, распыление материала электродов, рентгеновское излучение, нагрузка на высоковольтную систему, искажение расчётного поля пространственным зарядом плазмы, потребность в охлаждении и защите.

Это классический эффект масштаба: полезные и вредные процессы масштабируются по разным законам. Геометрическое увеличение нейтронного источника не превращает его в электростанцию.

Разбор по ТРИЗ

Главная полезная функция фузора — обеспечить достаточное число столкновений ядер при термоядерных энергиях.

Функции расплаты: нагрев сетки, потеря ионов на электродах, перезарядка, тормозное излучение, вакуумирование, эрозия материалов, рентгеновское и нейтронное излучение, потребление высоковольтного источника.

Идеальность оценивается как отношение полезных функций к функциям расплаты. Фузор восхитительно прост и компактен — но как энергетическая машина он имеет идеальность, стремящуюся к нулю: знаменатель на десять порядков больше числителя.

Ключевое противоречие формулируется так: ионы должны многократно пересекать плотную центральную область, чтобы повысить вероятность синтеза, — и не должны неупруго взаимодействовать с сеткой, фоновым газом и друг с другом, чтобы не терять направленную энергию.

Что фузор действительно умеет

Приговор относится к энергетике, а не к устройству вообще. Как источник нейтронов фузор хорош: компактный, дешёвый, включается и выключается по кнопке. Отсюда его реальные применения — учебная установка, активационный анализ, калибровка нейтронных детекторов, исследования по физике плазмы, наработка отдельных изотопов. На той же основе созданы коммерческие нейтронные генераторы с выходом порядка 10¹¹ нейтронов в секунду.

Иначе говоря, устройство отлично выполняет функцию, для которой его в итоге и применяют. Ошибка не в фузоре — ошибка в подмене цели.

Что отсюда следует

Фузор выполняет только первый шаг длинной цепочки: разгоняет отдельные ядра до энергии, при которой синтез возможен. Остальные шаги остаются невыполненными — он не удерживает достаточно частиц достаточно долго, не обеспечивает высокой доли полезных столкновений, не возвращает энергию продуктов топливу, не подавляет потери на электроды, газ и излучение.

Отсюда правило, полезное далеко за пределами термояда:

Демонстрация физического эффекта не равна решению технической задачи. Если система убедительно выполняет первый шаг цепочки, необходимой для главной функции, проверьте остальные шаги и посчитайте полный энергетический баланс со всеми функциями расплаты. Наглядность и простота эффектной демонстрации чаще всего маскируют незакрытые звенья цепочки, а не отсутствие проблем.

И короткий вывод:

Термоядерные реакции есть, а термоядерного горения нет. Фузор производит нейтроны, а не энергию.