Тяжелый ионный синтез — это концепция термоядерной энергии , которая использует поток высокоэнергетических ионов из ускорителя частиц для быстрого нагрева и сжатия небольшой гранулы термоядерного топлива. Это подкласс более крупного подхода к инерционному удержанию (ICF), заменяющий более типичные лазерные системы ускорителем.
Ускорители имеют потенциал быть намного более эффективными с точки зрения доставки энергии к топливной таблетке; типичные лазерные «драйверы» имеют общую эффективность порядка 1%, в то время как системы с тяжелыми ионами стремятся к 30% и более. Кроме того, они могут производить импульсы энергии много раз в секунду, в то время как существующие высокоэнергетические лазерные системы требуют длительных периодов охлаждения между «выстрелами». Эти преимущества были бы полезны в коммерческих условиях, поскольку они значительно снизили бы стоимость эксплуатации и несколько снизили бы стоимость строительства завода по сравнению с лазерной системой.
Основная концепция предлагалась время от времени до 1970 года с использованием либо электронов, либо протонов. Фундаментальные ограничения на фокусировку пучка с использованием электронов и тормозные расстояния протонов привели к концепции использования тяжелых ионов, чья большая масса позволяет им оставаться более сфокусированными и останавливаться быстрее. Крупная встреча в 1976 году привела к быстрому принятию концепции в конце 1970-х и начале 1980-х годов. В конце 1970-х годов тяжелый ионный синтез (HIF) был описан как «консервативный подход» к работающему термоядерному реактору. Дальнейшая работа достигла кульминации в проекте HYLIFE-II, подготовленном в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) в начале 1990-х годов.
С тех пор, несмотря на постоянный интерес, не было построено ни одного крупномасштабного экспериментального устройства, использующего этот подход. Его недостаток в том, что ускорители с требуемыми энергиями могут быть построены только в больших размерах, порядка километров, что затрудняет тестирование с недорогими системами. Напротив, даже небольшие лазеры могут достигать желаемых условий, поэтому они остаются в центре внимания подхода ICF.
Синтез происходит, когда атомы оказываются в непосредственной близости, и ядерная сила притягивает их вместе, образуя одно большее ядро . Противодействие этому процессу оказывает положительный заряд ядер, которые отталкиваются друг от друга из-за электростатической силы . Для того чтобы произошел синтез, ядра должны иметь достаточно энергии, чтобы преодолеть этот кулоновский барьер . Барьер понижается для атомов с меньшим положительным зарядом, тех, у которых наименьшее количество протонов . Ядерная сила увеличивается с дополнительными нуклонами, общим числом протонов и нейтронов . Это означает, что комбинация дейтерия и трития имеет самый низкий кулоновский барьер, около 100 кэВ (см. требования для синтеза ), поскольку они содержат один протон и один или два нейтрона. [1]
Когда топливо нагревается до высоких энергий, электроны отделяются от ядер, оставляя отдельные ионы и электроны, смешанные в газообразной плазме . Частицы в газе распределены по широкому диапазону энергий, известному как распределение Максвелла-Больцмана . При любой заданной температуре большинство частиц находятся при более низких энергиях, с « длинным хвостом », содержащим меньшее количество частиц при гораздо более высоких энергиях. Таким образом, хотя порог в 100 кэВ представляет собой температуру более одного миллиарда градусов, для того, чтобы произвести события синтеза, топливо не обязательно нагревать до этой температуры в целом; некоторые реакции будут происходить при более низких объемных температурах из-за небольшого количества высокоэнергетических частиц в смеси. [1]
Реакции синтеза выделяют большое количество энергии, и часть этой энергии будет откладываться обратно в топливе, нагревая его. Существует критическая температура, при которой скорость реакций, а значит и энергия, откладываемая в топливе, уравновешивают потери в окружающую среду через выходящие частицы и излучение. В этот момент реакция становится самоподдерживающейся, точка, известная как воспламенение . Для DT-топлива самонагревание происходит в первую очередь через альфа-частицы , а соответствующая температура составляет от 50 до 100 миллионов градусов. Общая скорость синтеза зависит от комбинации температуры, плотности и времени удержания энергии, известной как тройной продукт синтеза . [1]
Для решения проблемы термоядерной энергии были разработаны два основных подхода . Наиболее широко изученным подходом является магнитное удержание . Поскольку плазма электрически заряжена, она будет следовать магнитным силовым линиям, а подходящее расположение полей может удерживать топливо вдали от стенок контейнера. Затем топливо нагревается в течение длительного периода. При плотностях, которые возможны при использовании магнитов, процесс термоядерного синтеза довольно медленный, поэтому этот подход требует длительного времени удержания порядка десятков секунд. Удержание газа при миллионах градусов для такого рода временных масштабов оказалось сложным, хотя современные экспериментальные машины приближаются к условиям, необходимым для чистой выработки энергии или безубыточности . [1]
Вторым основным подходом является инерционное удержание . Альфа-частицы из реакций синтеза проходят расстояние, которое зависит от плотности топлива. В низких плотностях магнитного реактора, часто описываемых как «хороший вакуум», это может быть порядка многих метров, [a] но при очень высоких плотностях это значительно уменьшается, вплоть до микрон . Инерционный подход использует этот эффект, сжимая топливо до чрезвычайно высокой плотности, в которой крошечной капли топлива порядка миллиграммов будет достаточно, чтобы обеспечить воспламенение. Кроме того, коллапс заставляет температуру топлива повышаться через адиабатический процесс , обеспечивая два из трех входов тройного продукта. [1]
Нет никаких попыток поддерживать эти условия в течение какого-либо значительного периода времени, топливо взрывается наружу вскоре после окончания импульса драйвера, замедляясь только инерцией частиц. Время удержания составляет порядка микросекунд, поэтому температура и плотность должны быть очень высокими, чтобы любое заметное количество топлива подверглось синтезу. Этот подход оказался успешным в создании реакций синтеза, но на сегодняшний день устройства, которые могут обеспечить сжатие, как правило, лазеры , требуют гораздо больше энергии, чем производят реакции. [1]
В процессе ICF есть два отдельных эффекта: один заключается в сжатии топлива, чтобы альфа-частицы были захвачены внутри него, а второй заключается в нагревании топлива до температур, необходимых для начала реакций. Для эффективного захвата альфа-частиц требуется плотность примерно в 1000 раз больше плотности воды, [b] что требует энергии пучка около 10 7 джоулей на грамм (Дж/г) целевой массы. Напротив, нагрев топлива до температур синтеза требует около 10 9 Дж/г. По этой причине были приложены усилия для поиска способов раздельного нагрева топлива; типичное решение заключается в формировании подачи энергии для создания короткого периода более высокой энергии, создавая ударную волну, которая распространяется в сжимающееся топливо. Это известно как «зажигание горячей точки». [2]
Большинство систем ICF на сегодняшний день используют лазеры в качестве «драйвера». В простом случае, когда лазер светит непосредственно на топливную мишень, известном как «прямой привод», тепло, создаваемое лазером, заставляет внешний слой пластиковой капсулы взрываться наружу. Из-за третьего закона Ньютона это заставляет внутреннюю часть капсулы двигаться внутрь. Прямой привод накладывает очень жесткие ограничения на фокусировку и время доставки, и его трудно достичь. По этой причине большинство больших устройств ICF используют процесс «косвенного привода», в котором драйвер нагревает металлический цилиндр, известный как «hohlraum», настолько сильно, что он начинает испускать рентгеновские лучи , которые, в свою очередь, светят на капсулу, подвешенную внутри. Это позволяет процессу нагрева происходить в течение более длительного периода и снижает необходимость в такой же плотной фокусировке, но имеет тот недостаток, что большая часть исходной энергии пучка используется для нагрева цилиндра и не способствует взрыву. [3]
Доставка импульса с требуемыми уровнями энергии и синхронизацией является значительной проблемой. На сегодняшний день энергетические потребности обычно удовлетворяются с помощью сложных лазеров на фосфатном стекле с неодимовым легированием, которые имеют общую эффективность около 1%. Оптические системы, необходимые для фокусировки и управления лучом, удаляют дополнительные 50% энергии, а в случае непрямого привода значительные объемы того, что остается, теряются при нагревании металлического цилиндра. Для National Ignition Facility , крупнейшей и самой мощной системы ICF на сегодняшний день, только около 10-14 кДж из исходных 4 МДж исходной энергии лазера достигают цели, [4] что потребовало 422 МДж электроэнергии для генерации.
Для того, чтобы реакции синтеза производили достаточно энергии, чтобы соответствовать исходной энергии лазера, он должен будет производить не менее 4 МДж, а по практическим причинам, по крайней мере в три раза больше, подразумевая, что отношение входной энергии лазера к выходной энергии синтеза, [c] или усиление , должно быть порядка сотен или тысяч. На сегодняшний день рекорд на NIF составляет 1,3 МДж синтеза из 2 МДж лазерного выхода, [5] из 422 МДж электроэнергии, поэтому крайне маловероятно, что текущий подход когда-либо может быть использован для производства энергии. [6]
В 1963 году Фридвардт Винтерберг представил концепцию зажигания термоядерного синтеза с использованием небольших групп частиц, которые были ускорены до скорости около 200 км/с, концепцию, которая теперь известна как кластерный ударный синтез . Эта концепция не похожа на современную ICF, поскольку ускоренные частицы предназначены для непосредственного прохождения термоядерного синтеза, а не используются исключительно в качестве драйвера, как в концепции ICF. Публикация нескольких статей, связанных с ICF, в конце 1960-х годов побудила Винтерберга опубликовать статью 1968 года, в которой описывалось использование ускоренных электронов или ионов вместо лазерных систем в схеме ICF. [7]
Эл Машке, работающий в синхротроне с переменным градиентом (AGS) Брукхейвенской национальной лаборатории , предложил использовать протонный синхротрон, такой как AGS, в качестве основы для драйвера ICF. Это могло бы обеспечить желаемую энергию с относительно небольшими усовершенствованиями. Однако дальнейшее исследование выявило проблему с этим подходом; пучок будет чрезмерно расходиться из-за отталкивания одноименных зарядов, и будет трудно получить интенсивность, необходимую для ICF. [d] Кроме того, протоны будут останавливаться внутри топливной мишени на разной глубине, что затруднит управление динамикой имплозии. [3] [8] Обе эти проблемы привели к тому, что Машке предложил около 1975 года перейти от протонов к более тяжелым ионам, таким как цезий, ксенон, ртуть или свинец. [9] [8] В начале 1976 года Деннис Киф предположил, что для этой цели подойдет линейный индукционный ускоритель. [10]
Значимым событием в истории HIF стала двухнедельная встреча в июле 1976 года в отеле Claremont в Беркли, Калифорния, где идеи Машке изучались примерно пятьюдесятью участниками из всех основных лабораторий и университетов, занимающихся ускорителями частиц и термоядерными технологиями. Их отчет о встрече продемонстрировал, что не было никаких проблем, вызывающих опасения, и что потенциал этой концепции предполагает более детальное исследование. [11] Это привело к нескольким последующим исследованиям в Брукхейвене в 1977 году, Аргонне в 1978 году и Окленде в 1979 году, [3] [e] все с аналогичными многообещающими результатами. В обзоре всего направления ICF в мае 1979 года Джон С. Фостер-младший пришел к выводу, что HIF был лучшим выбором для термоядерного реактора ICF, «если вы хотите придерживаться консервативного подхода». [12]
После дальнейших препирательств в 1983 году Министерство энергетики наконец убедили выделить некоторое финансирование для формирования официальной организации для управления этими усилиями, программы исследований ускорителей синтеза тяжелых ионов, или HIFAR. В течение следующего десятилетия группа HIFAR в Лоуренсе Беркли, вместе с аналогичными группами в Лоуренсе Ливерморе и других местах, продолжала изучать базовую концепцию. Исследования продолжались в течение следующего десятилетия, в результате чего были предложены два полных проекта электростанции, HYLIFE и HYLIFE-II. [13]
В этот же период классический подход к ICF на основе лазера потерпел ряд существенных неудач. Большая часть прогнозируемых характеристик этих конструкций основывалась на компьютерном моделировании с использованием таких программ, как LASNEX . Ранние моделирования предполагали, что некоторое усиление термоядерного синтеза можно ожидать даже при относительно низких энергиях пучка порядка 10 кДж, но когда это предсказание было проверено в системе Shiva , множество непредвиденных проблем резко снизило производительность примерно в 10 000 раз. Обновления LASNEX предполагали, что более крупная система с несколькими сотнями кДж мощности могла бы это сделать, но получившаяся система Nova , построенная в этом масштабе, вместо этого продемонстрировала еще один набор существенных проблем и снова не оправдала прогнозов. [14]
Эксперименты с использованием ядерного оружия в качестве драйвера вместо лазера, часть Halite/Centurion, показали, что требуются значительно более высокие энергии, возможно, до 100 МДж, что намного превышает возможности любой лазерной системы. Даже в наилучшем сценарии, с различными достижениями в формировании цели и синхронизации энергетического импульса, потребуется не менее 2 МДж. [14] Это потребовало бы около 200 МДж электроэнергии для питания лазеров, поэтому для балансировки энергии потребовались бы приросты термоядерного синтеза порядка Q = 100, даже игнорируя все механизмы потерь. [15]
Эта серия событий привела к возобновлению интереса к HIF. Поскольку эффективность драйвера была намного выше, требуемый коэффициент усиления был соответственно ниже, порядка Q = 10. Более низкий коэффициент усиления означал гораздо менее требовательную динамику имплозии, а также менее мощные взрывы, которые можно было бы удержать в меньшем устройстве. С конца 1990-х годов довольно непрерывный поток статей по этой теме продолжает генерироваться лабораториями по всему миру, и были проведены некоторые мелкомасштабные эксперименты на подходящих ускорителях. [16] [17]
Практической проблемой для подхода HIF является тот факт, что для обеспечения правильной энергии и времени ускоритель должен быть большим. Хотелось бы, чтобы большинство ионов останавливались примерно в одном и том же месте мишени, чтобы создать симметричный эффект. Для этого энергия ионов должна быть достаточно точной. В случае широко используемого типа ионов, свинца, эта энергия составляет около 8 ГэВ, чтобы ионы останавливались на среднем расстоянии 1 мм, а также доставляли достаточно энергии мишени. Ускоритель, способный давать ионам свинца такой уровень энергии, не является ни маленьким, ни недорогим, даже для небольшого количества ионов, что затрудняет его производство в малогабаритном устройстве.
Напротив, лазеры с требуемой производительностью могут быть построены практически в любом масштабе. [15] Это основная причина того, что HIF не получил развития; наименьшая возможная машина все еще довольно велика и дорога. Для целей разработки лазеры были бы проще и дешевле, в конечном счете работая аналогичным образом с точки зрения физики имплозии. Тем не менее, по мере продолжения программы лазерного ICF, она продемонстрировала, что требуются все более крупные драйверы, достигнув кульминации в NIF, который при стоимости около 4 миллиардов долларов и размере двух футбольных полей не является ни маленьким, ни недорогим. [f]
В 2003 году DOE решило сосредоточить все свои усилия ICF на программе NIF, поскольку многие проекты после NIF будут основаны на ее результатах. Планы по различным более мелким испытательным концепциям для программы HIF в основном закончились в то время. [15]
Энергия, необходимая для сжатия мишени ICF до требуемой плотности, составляет около 10 7 Дж/г, поэтому для небольших количеств топлива порядка 1 мг потребность в энергии составляет около 10 кДж. Однако для нагрева топлива до температур синтеза требуется дополнительная энергия, одного сжатия будет недостаточно до примерно 10 9 Дж/г. Это приводит к различным механизмам снижения этой потребности до примерно 10 8 Дж/г, [г] [18] и, таким образом, около 100 кДж в общей сложности для 1 мг топлива. Различные механизмы потерь во время сжатия теряют около 90% этой энергии, и, таким образом, драйверы должны быть порядка 1 МДж. [8] [h]
В 1970-х годах, когда эта концепция впервые рассматривалась, самые мощные ускорители, обычно использующие электроны или протоны, ускоряли небольшое количество частиц до высоких энергий. Те, которые могли достичь 1 МДж, обычно делали это с протонами с энергией около 20 ГэВ. Эти высокорелятивистские частицы проходили прямо сквозь небольшие объекты без замедления, что делало их непригодными для ICF. В идеале драйвер хотел бы использовать гораздо большее количество частиц с более низкой энергией, которые будут останавливаться быстрее. При нерелятивистских энергиях, менее 20 МэВ, у них есть разумные шансы остановиться в небольшом объекте. При этих энергиях количество частиц, или «светимость», требуемая для доставки необходимой энергии, намного превосходит любую существующую технологию. [8]
Переход к более тяжелым частицам имеет некоторое преимущество с точки зрения снижения скорости, так как энергия = 1/2 mv 2 , но масса линейна с энергией, в то время как скорость квадратична, поэтому уменьшение скорости невелико. Ключевым преимуществом является способ, которым частицы замедляются внутри мишени. Когда они проходят мимо атомов в мишени, их электрический заряд ионизирует атомы мишени, и именно эти взаимодействия замедляют частицу в процессе рассеяния, известном как кулоновское столкновение . Любопытным эффектом при кулоновском столкновении является пик Брэгга, который вызван замедлением иона вблизи конца его траектории. Этот эффект означает, что когда ионы выстреливаются в вещество, большинство из них будут осаждаться на четко определенном расстоянии. Для любого выбранного тормозного расстояния и выбранной энергии частицы тяжелый ион остановится примерно на три порядка короче, чем протон, что значительно упрощает организацию системы. [8] [19]
Как и в случае с лазерным ICF, HIF может быть построен с использованием концепции прямого или непрямого привода, [19] и основные причины использования одного или другого одинаковы; прямой привод требует гораздо более высокой точности луча драйвера, но доставляет около 15% энергии от драйвера к топливу, в то время как непрямой привод менее критичен к размещению луча и времени, доставляя только около 5% энергии к цели. [18]
В случае непрямого привода система почти идентична системе с лазерным приводом, различия в основном заключаются в конструкции хольраума. В лазерных устройствах хольраум имеет форму открытых цилиндров, а лазерные лучи проникают через концы на внутренние стенки. В случае ионного драйвера тормозной путь привел бы к тому, что рентгеновские лучи были бы захвачены внутри стенок хольраума. Вместо этого хольраум имеет форму тонкой оболочки, как правило, яйцевидной формы, с небольшими металлическими пластинами, подвешенными внутри. Стенка хольраума достаточно тонкая, чтобы быть невидимой для лучей, которые вместо этого ударяют по более толстым пластинам, нагреваясь до тех пор, пока они не начнут испускать рентгеновские лучи, заполняющие оболочку. Затем рентгеновские лучи заставляют топливную капсулу разрушаться точно так же, как и корпус лазера. Однако в этом случае у драйвера HIF есть одно преимущество, поскольку он может быстро колебаться на высоких частотах, позволяя лучам перемещаться внутри хольраума для равномерного нагрева. Образование горячих точек на стенках хольраума оказалось проблемой в лазерных устройствах, которую можно было бы избежать. [19]
Поскольку тормозной путь ионов составляет порядка 1 мм, мишени для HIF с прямым приводом обычно больше и намного толще, чем в лазерных системах. Типичная конструкция имеет радиус около 4 мм, с внешним слоем свинца или золота, толкателем из более легкого металла, такого как алюминий, а затем тонким слоем DT-топлива, замороженного во внутреннем слое алюминия. Внутреннее ядро, около 2,8 мм, пустое. Такая конструкция с более высокой плотностью снаружи и более легкой внутри, является формулой для неустойчивости Рэлея-Тейлора (RT), поэтому мишени и освещение должны быть чрезвычайно однородными. Соображения по освещению предполагают, что требуется от 16 до 32 пучков. Некоторые конструкции капсул добавляют тонкий слой пены для буферизации сжатия с целью уменьшения RT. [20]
Значительной проблемой в ранних системах ICF было то, что лазерные импульсы были примерно однородны во времени. Было обнаружено, что это откладывало энергию быстрее, чем она могла быть поглощена капсулой, что приводило к нагреванию топлива вместо того, чтобы просто толкать его. Это привело к современной концепции «стопы», начального периода гораздо более низкой энергии, который начинает процесс драйвера, избегая предварительного нагрева, а затем «главного импульса», который следует ближе к концу процесса, который управляет финальной стадией высокого сжатия. Из-за массы слоя толкателя весь процесс медленнее, чем в лазерных системах, при этом импульс в целом длится около 35 нс, по сравнению, возможно, с 1 ⁄ 3 для лазерных импульсов. [20]
Существуют две основные концепции проектирования систем драйверов: американские команды сосредоточены на индукционных ускорителях, а европейские и японские команды — на радиочастотных ускорителях. [21]
Радиочастотные ускорители состоят из трубы с периодическими зазорами в ней, каждый из которых заключен в резонансную полость. Когда радиочастотный сигнал подается через зазор, каждый из них начинает резонировать на выбранной частоте. Это создает электрическую силу через зазор, которая ускоряет ионы вдоль трубы. Сигнал синхронизирован так, чтобы он достигал пика, когда проходит группа ионов. Это означает, что он может ускорять только короткие импульсы ионов, и поэтому требуется какой-то способ объединить импульсы обратно вместе. [21]
Индукционные ускорители состоят из ряда соленоидов , расположенных вдоль пучка. Каждый из них питается, когда ионы проходят через него, ускоряя их. Это имеет преимущество, позволяя ускорителям быть обернутыми вокруг нескольких пучков, ускоряя их все одновременно. [21]
В любом случае, потребность в очень большой мощности пучка в очень коротких импульсах, наряду с необходимостью фокусировать эти пучки примерно до 3 мм, требует ряда новых конструктивных факторов. [21] Для того чтобы соответствовать требованиям фокусировки, исходный источник ионов должен иметь очень низкий коэффициент излучения , разброс ионов в пространстве и скорость. Это по сути мера их случайного движения при создании, которое является функцией их температуры. Чтобы обеспечить желаемый коэффициент излучения, должны быть разработаны новые низкотемпературные инжекторы. [21]
Положительный электрический заряд ионов со временем отдаляет их друг от друга, что приводит к концепции предела пространственного заряда , максимального числа ионов в заданном объеме, которые могут оставаться сфокусированными. Это значение намного ниже требований для создания импульса, который сожмет мишень. Американские разработки решают эту проблему, имея большое количество параллельных линий пучка, которые объединяются, как только они приближаются к целевой камере. Европейские разработки отдают предпочтение использованию накопительных колец для этой роли. В обоих случаях начальный длинный импульс ионов уменьшается по длине, чтобы создать все более короткий импульс. Например, в одной американской разработке начальный импульс имеет длину 27 мкс и подвергается повторному сжатию, пока не станет всего 10 нс. [21]
В любой версии полученные конструкции очень длинные. В американских иллюстрациях обычно используется сложенный пучок, имеющий форму буквы U, с общей длиной порядка 1 километра (0,62 мили). [22] Это главный недостаток подхода HIF; хотя можно построить ускоритель с меньшим током пучка для целей тестирования, отдельным ионам по-прежнему требуется та же энергия, и, таким образом, ускоритель будет такого же размера, как и версия с более высоким током для производственного реактора.
Использование ионов по сравнению с лазерами имеет существенные практические преимущества. Для начала, лазеры, которые могут достигать желаемых уровней энергии, крайне неэффективны, порядка 1% от подаваемого им электричества в конечном итоге превращается в фотоны в луче. Напротив, драйверы HIF вкладывают, возможно, от 30 до 40% входной энергии в луч. [19] Это значительно облегчает требуемые характеристики целей, если целью является получение чистой выходной энергии; лазер на 4 МДж требует приблизительно 400 МДж электрической энергии, и, учитывая, что современный генератор цикла Ренкина имеет эффективность около 40%, выходная мощность капсулы должна составлять не менее 1 ГДж для перезарядки лазера. Напротив, ту же энергию пучка в 4 МДж может производить драйвер HIF на 10 МДж, требуя около 40 МДж выходной мощности термоядерного синтеза, что является значительно более простой целью. Учитывая дополнительные потери в процессе, устройства HIF обычно нацелены на усиление порядка 50-70. [19]
Другим значительным преимуществом конструкции HIF является ее способность быстро срабатывать последовательно. Стеклянные системы, используемые в лазерах, нагреваются при прохождении луча, заставляя их разбухать и расфокусироваться, требуя некоторого времени для охлаждения, прежде чем их можно будет снова использовать. На практике это ограничивает такие устройства, как NIF, возможно, несколькими «выстрелами» в день, и хотя это можно увеличить за счет использования передовых систем охлаждения, они могут сократить время срабатывания до минут или, возможно, десятков секунд. Напротив, HIF не имеют встроенных компонентов фокусировки или управления лучом, все это обрабатывается магнитами, окружающими лучевые каналы. Это позволяет им срабатывать непрерывно, и скорости от 10 до 15 выстрелов в секунду кажутся возможными. [19] Это огромное преимущество в случае действующего завода, где синхронизация выстрелов должна быть достаточно быстрой, чтобы выход выглядел относительно непрерывным. [19]
Возможность электрического управления лучом дает значительные эксплуатационные преимущества. Маломасштабное управление лучом, или «колебание», полезно во время импульса для сглаживания энергии. В более длительном временном интервале непрерывное движение устройства из-за провисания и сейсмических событий должно учитываться на больших расстояниях перемещения лучей. В лазерной системе это требует длительных усилий по повторной калибровке, тогда как в случае HIF это можно выполнить легко и, возможно, непрерывно посредством незначительных изменений полей в конечных управляющих магнитах. Это также можно использовать для управления лучами между совершенно разными реакционными камерами, что обеспечивает операции по отказу и возможность последовательно стрелять в разные камеры, если желаемая частота импульсов быстрее, чем любая из камер может быть очищена. [23]
Наконец, конечная оптика, где лазер входит в реакционную камеру, подвергается прямому выходу событий синтеза, включая нейтроны высокой энергии и различные другие частицы и излучение. Это приводит к постоянной эрозии окон, что может вызвать значительные проблемы с высокоэнергетическим светом. Это стало существенной проблемой в лазерных устройствах ICF. [8] Способность HIF легко управляться предлагает ряд простых решений этих проблем, позволяя изолировать каналы пучка от реакций с помощью вращающихся механических затворов или других концепций. [24]
Несколько исследований дизайна были опубликованы в 1990-х и 2000-х годах, чему способствовали все более совершенные моделирования процесса ICF, а также постоянные улучшения в конструкции ускорителей. Высшей точкой стала публикация в октябре 1990 года исследования дизайна HYLIFE-II для электростанции HIF, использующей расплавленный флайб для защиты стенок реакционной камеры, а также для получения трития в качестве топлива. Базовый проект на 1 ГВт привел к ожидаемой приведенной стоимости электроэнергии (LCOE) в размере 9 центов/кВт·ч в долларах 1988 года, или эквивалентно 0,23 долларам в 2023 году. [25] Это не было конкурентоспособной цифрой даже в то время, [i] и система стала конкурентоспособной только тогда, когда реактор был масштабирован до очень большого размера 2 ГВт·ч, что значительно ограничило бы его коммерческую применимость. [25] В статье делается вывод:
Чтобы быть конкурентоспособной с будущей угольной и легководной атомной энергией, стоимость электроэнергии необходимо снизить в 2 раза. [27]
Более современный обзор приходит к такому же выводу:
Наконец, критически важны исследования, направленные на снижение затрат. [28]