Инженер авиационного дивизиона Военно-морского военного центра США по имени Сальваторе Сезар Паис подал заявку на патент компактного термоядерного реактора. Заявка № 20190295733 подана 22 марта 2018 года и опубликована в открытом доступе 26 сентября 2019 года.

Среди крупных американских корпораций принято подавать максимальное количество патентных заявок на любые возможные (и невозможные) изобретения, чтобы обезопасить свою деятельность от патентных претензий. Славится этим и ВМФ США, которая ранее запатентовала ряд совершенно невероятных устройств, которые в случае своего воплощения совершенно изменят человечество (хотя это точно случится не при нашей жизни). Нынешний патент — из того же разряда, считают эксперты из военно-технического издания The War Zone, которые следят за патентной активностью американского ВПК.

Учёные по всему миру стремятся создать идеальный источник энергии. Теоретически, этот источник в конечном итоге заменит ископаемое топливо, обеспечит энергией транспорт и поможет отправить космические аппараты в отдалённые части Вселенной. До сих пор энергия ядерного синтеза казалась наиболее вероятным вариантом, чтобы помочь нам достичь этих целей.


Экспериментальный компактный термоядерный реактор Skunk Works. Фото: Lockheed Martin

Сейчас существуют две принципиальные схемы осуществления управляемого термоядерного синтеза, разработки которых продолжаются в настоящее время:

1. Квазистационарные системы, в которых нагрев и удержание плазмы осуществляются магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре. Для этого применяются реакторы в виде токамаков, стеллараторов (торсатронов) и зеркальных ловушек, которые отличаются конфигурацией магнитного поля. К квазистационарным реакторам относится будущий европейский реактор ITER, имеющий конфигурацию токамака.
   
2. Импульсные системы. В таких системах управляемый термоядерный синтез осуществляется путём кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными лазерными лучами или пучками высокоэнергичных частиц (ионов, электронов). Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.

Разработка жизнеспособного источника энергии ядерного синтеза долгое время казалась недостижимой. В случае её появления эта технология полностью изменит то, как мы управляем нашим миром.

Для получения термоядерной энергии на Земле учёные и инженеры должны построить устройства и приборы, которые работают с газами при температуре в сотни миллионов градусов, чтобы заставить атомные ядра сталкиваться друг с другом на высоких скоростях и создавать перегретую плазму.

Это непростая задача, и есть несколько серьёзных технических проблем, связанных с созданием термоядерной энергии. Например, плазма не может касаться стенок камеры, в которой она создана, поэтому ученые должны использовать мощные магнитные поля, чтобы изолировать вещество. Это одна из самых важных проблем, которую исследователи стремятся преодолеть. Наконец, возникает проблема фактического хранения энергии, которая создаётся в реакции.

Если учёные смогут использовать энергию термоядерного синтеза, то развитие человеческой цивилизации изменится кардинально. Один килограмм термоядерного топлива производит такое же количество энергии, как и 10 миллионов килограммов ископаемого топлива, объясняется в презентации научного музея в Лондоне.

Это идеальный источник энергии; он не выделяет парниковые газы и не оставляет после себя вредных побочных продуктов, такие как ядерные отходы, в отличие от реакции деления. Фактически, единственным побочным продуктом термоядерного синтеза является гелий: инертный, чрезвычайно полезный газ.

Современные ядерные реакторы конструируются размером примерно с целое здание. Относительно портативный компактный термоядерный реактор, предназначенный для питания относительно небольших транспортных средств, полностью изменит правила игры. Над его созданием работают китайское правительство (предположительно), корпорация Lockheed Martin и несколько других частных компаний. Сейчас к разработкам присоединяется и ВМФ США. Теоретически, такое устройство может поместиться на корабле или самолёте.

Итак, что же сказано в патенте? Как ВМФ США предлагает сконструировать такой крошечный реактор?

Автор патента — исследователь Сальваторе Сезар Паис (Salvatore Cezar Pais) из авиационного дивизиона Военно-морского военного центра (Naval Air Warfare Center — Aircraft Division).

Основная часть конструкции устройства называется динамическим фузором (dynamic fusor). Согласно патенту, плазменная камера содержит несколько пар этих динамических фузоров, которые быстро вращаются и вибрируют внутри камеры, создавая «концентрированный поток магнитной энергии» (concentrated magnetic energy flux), который может сжать газы внутри.

Окружённые электрическим полем, конусообразные фузоры закачивают в камеру топливные газы, такие как дейтерий или дейтерий-ксенон, где они подвергаются интенсивному нагреву и давлению для создания реакции слияния ядер. Нынешнии технологии в экспериментальных термоядерных реакторах по всему миру применяют сверхпроводники для создания магнитного поля.

Издание The War Zone сообщает, что устройство потенциально может производить больше тераватта энергии, а для питания реактора требуется от киловатта до мегаватта.

ITER

В настоящее время у человечества нет источника энергии, который производит больше энергии, чем необходимо для его создания, пишет Popular Mechanics, но мы всё ближе к созданию такого источника. Большие надежды возлагаются на ITER, ключевые компоненты которого начали изготавливать в 2014 году.


Термоядерный реактор ITER — маленькая копия Солнца

В 2014 году после нескольких лет задержек наконец-то началась работа по сборке ключевых компонентов ITER — катушек тороидального поля.

Одни из самых крупных компонентов термоядерного реактора делает подрядчик CNIM. Он занимался судостроением, прежде чем переключился на точное машиностроение. Расположение завода в Ла-Сейн-сюр-Мер в пригороде Тулона (Франция) на побережье является преимуществом, потому что некоторые из компонентов настолько громоздки, что их можно транспортировать только морем.
D-образные стальные петли размером около 20 метров изготовлены из особо прочной стали, так что при их сверлении карбидовые свёрла приходится менять каждые 8 минут.

Семь таких петель прикрепляются друг к другу, чтобы сформировать один из многих магнитов, контролирующих плазму при температуре 10 млн °C в вакуумной камере.


Схема реактора ИТЭР: габаритные размеры реактора ~ 40 х 40 метров; 1 – центральный соленоид (индуктор); 2 – катушки полоидального магнитного поля; 3 – катушка тороидального магнитного поля; 4 – вакуумная камера; 5 – криостат; 6 – дивертор
^{Здесь и далее — иллюстрации из официального буклета «Международный проект ИТЭР» корпорации «Росатом»}

Затем петли планировалось перенаправить на завод в городе Специя на севере Италии, там другой подрядчик должен внедрить до 700 метров сверхпроводящего кабеля в каждую из них. Потом их перевезут в Венецию, там ещё одна фирма Simic завершит сборку готовых катушек тороидального поля. Каждая катушка будет весить как полностью загруженный самолёт «Боинг-747». Компания Simic привлечена и к производству других петель, так что им приходится сделать круговое путешествие в Специю и обратно. Руководство ITER изначально избрало такую стратегию, когда подрядчики борются за контракты, а разные детали одного узла иногда производятся на разных континентах.

Готовые катушки отвозят во французский порт, где 800 тонн загружают на 352-колёсный транспортёр. Он медленно тянет груз до места строительства ITER в 104 км от побережья. К 2018 году первые катушки должны были доставить на место будущего термоядерного реактора.

Впрочем, это лишь крохотная часть работы, которую ещё предстоит сделать перед тем, как запустить ITER.

ITER относится к термоядерным реакторам типа «токамак» — тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза. В вакуумной камере ядра дейтерия и трития сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона. Плазма в токамаке удерживается не стенками камеры, а комбинированным магнитным полем — тороидальным внешним и полоидальным полем тока.

В амбициозном международном проекте принимают участие Россия, США, ЕС, Китай и другие страны. Термоядерный реактор, предложенный советскими физиками в 1985 году, был согласован на встрече президентов Рейгана и Горбачёва. С тех пор шла подготовка и проектирование, в 2001 году подготовлен технический проект, а в 2005 году страны-участники определились с местом строительства — окрестности города Кадараш на юге Франции.

ITER — самое сложное техническое сооружение в истории человечества. Основная конструкция состоит из 10 млн деталей. Это больше, чем в Большом адронном коллайдере. Инженеры называют её «паззлом из 10 миллионов частей». Неудивительно, что подготовка заняла столь долгое время.


Площадка ITER

К сожалению, дедлайн для первого запуска рабочей плазмы недавно опять сдвинули. Директор проекта называет 2023 год, независимые эксперты склоняются к 2025-му. После пробного запуска последуют примерно четыре года тестирования, прежде чем в камеру загрузят настоящую смесь дейтерия и трития. Задача ITER — продемонстрировать управляемую реакцию синтеза с термоядерной мощностью несколько сотен мегаватт и отработкой технологии её практического использования. После этого можно строить такие же установки по всему миру.

На первом этапе реактор будет работать в импульсном режиме при мощности термоядерных реакций 400–500 МВт и длительности импульса около 400 секунд. На втором этапе будет отрабатываться режим непрерывной работы реактора, а также система воспроизводства трития.

Учёные едины во мнении, что за термоядом — будущее энергетики. Запасы дейтерия в воде океанов неисчерпаемы, содержание лития в земной коре в 200 раз больше, чем урана (из лития получают тритий непосредственно на ITER). Есть и другие преимущества: радиационная биологическая опасность термоядерных реакторов примерно в тысячу раз ниже, чем реакторов деления; возможность размещения реактора в любом месте; отсутствие «тяжёлых» радиоактивных отходов, которые можно использовать для изготовления «грязных» бомб; физическая невозможность разгона («взрыва») реактора.

Патентная заявка ВМФ США доказывает, что американские военные тоже изучают возможность использования термоядерных реакторов. Но их патент — это просто набросок на бумаге. Скорее всего, никаких реальных физических экспериментов ещё не проводилось. Хотя, достоверно это не известно.

На имя того же инженера Сальваторе Сезара Паиса ранее были получены следующие патенты:

1. US20190058105A1 (2017) — сверхпроводники комнатной температуры
   
2. US10322827B2 (2017) — высокочастотный генератор гравитационных волн
   
3. US20170313446A1 (2016) — летательный аппарат, основанный на понижении инерционной массы
   
4. US7080504B2 (2006) — лазерная турбореактивная силовая установка

Предыдущие патенты тоже очень странные, и патентный офис сначала отказался выдавать патенты на невероятные технологии, но представители ВМФ США, а именно технический директор Джеймс Ших (James Sheeh, CTO, Naval Aviation Enterprise) написал письмо, в котором уверил патентое ведомство, что технологии реальны, и Китай разрабатывает всё то же самое.

Однако всё равно возникает впечатление, что Сальваторе Сезар Паис специализируется на различных фантастических идеях, которые патентуются от имени ВМФ.