Reaktor termojądrowy ARC - ARC fusion reactor

Reaktora fuzyjnego ARC (niedrogi, wytrzymały, kompaktowy) to teoretyczna konstrukcja kompaktowego reaktora fuzyjnego opracowany przez Massachusetts Institute of Technology (MIT) Plasma Science and Fusion Center (PSFC). Projekt ARC ma na celu osiągnięcie rentowności inżynieryjnej na poziomie trzech (aby wyprodukować trzy razy więcej energii elektrycznej wymaganej do obsługi maszyny), a jednocześnie jest o połowę mniejszy niż reaktor ITER i jest tańszy w budowie.

ARC ma konwencjonalny zaawansowany układ tokamaka , w przeciwieństwie do innych małych konstrukcji, takich jak tokamak sferyczny . Konstrukcja ARC jest lepsza w porównaniu z innymi tokamakami dzięki zastosowaniu wysokotemperaturowych magnesów nadprzewodnikowych z tlenku barowo-miedziowego (REBCO) w miejsce okablowania miedzianego lub konwencjonalnych nadprzewodników niskotemperaturowych . Magnesy te mogą działać przy znacznie wyższych natężeniach pola, 23  T , mniej więcej podwajając pole magnetyczne na osi plazmy. Czas utrzymywania cząstki w plazmie zmienia się wraz z kwadratem rozmiaru liniowego, a gęstość mocy zmienia się wraz z czwartą potęgą pola magnetycznego, więc podwojenie pola magnetycznego zapewnia wydajność maszyny 4 razy większą. Mniejszy rozmiar zmniejsza koszty budowy, chociaż jest to w pewnym stopniu równoważone kosztem magnesów REBCO.

Zastosowanie REBCO zwiększa również możliwość elastycznego uzwojenia magnesów, gdy maszyna nie pracuje. Daje to istotną zaletę, że można je „rozłożyć”, aby uzyskać dostęp do wnętrza maszyny. Osiągnięcie tego znacznie obniżyłoby koszt konserwacji, która w przypadku innych projektów zazwyczaj wymaga konserwacji przez małe porty dostępu przy użyciu zdalnych manipulatorów. Jeśli zostanie to zrealizowane, może to poprawić współczynnik wydajności reaktora , ważny miernik kosztów wytwarzania energii.

Istnieje plan zbudowania pomniejszonej wersji demonstracyjnej reaktora o nazwie SPARC przez firmę Commonwealth Fusion Systems ze wsparciem m.in. Eni , Breakthrough Energy Ventures , Khosla Ventures , Temasek i Equinor .

Historia

Projekt reaktora został ogłoszony w 2014 roku w artykule dostępnym na arXiv, a następnie dystrybuowany w czasopiśmie Fusion Engineering and Design w 2015 roku. Nazwa i projekt zostały zainspirowane fikcyjnym reaktorem łukowym zbudowanym przez Tony'ego Starka , który również uczestniczył w MIT w komiksach.

W oficjalnej broszurze prototypowego projektu SPARC wyjaśniono, że koncepcja ARC narodziła się jako „projekt realizowany przez grupę studentów MIT na kursie projektowania syntezy jądrowej. Projekt ARC miał pokazać możliwości nowej technologii magnesów przez opracowanie projektu punktu dla zakładu produkującego tyle energii termojądrowej, co ITER, przy najmniejszym możliwym rozmiarze.W rezultacie powstała maszyna o wielkości około połowy liniowej ITER, działająca przy 9  tesli i produkująca ponad 500 megawatów (MW) mocy termojądrowej. Studenci przyjrzeli się również technologiom, które pozwoliłyby takiemu urządzeniu działać w stanie ustalonym i produkować więcej niż200 MW energii elektrycznej."

Cechy konstrukcyjne

Projekt ARC ma kilka istotnych odstępstw od tradycyjnych reaktorów w stylu tokamaka . Zmiany zachodzą w konstrukcji elementów reaktora, przy wykorzystaniu tej samej reakcji fuzji D–T ( deuter - tryt ) co urządzenia do syntezy prądu.

Pole magnetyczne

Aby osiągnąć niemal dziesięciokrotny wzrost gęstości mocy fuzyjnych marki konstrukcja zastosowania ziem rzadkich baru-miedź-tlenek ( REBCO ) nadprzewodzącym taśmy na jej toroidalne pole cewkami. Intensywne pole magnetyczne pozwala na wystarczające zamknięcie supergorącej plazmy w tak małym urządzeniu. Teoretycznie osiągalna gęstość mocy syntezy jądrowej reaktora jest proporcjonalna do czwartej potęgi natężenia pola magnetycznego. Najbardziej prawdopodobnym kandydatem w tej klasie materiałów jest tlenek miedzi itru i baru o temperaturze projektowej20 K nadaje się do stosowania innych chłodziw (np. ciekłego wodoru, ciekłego neonu lub gazowego helu) zamiast znacznie bardziej złożonego chłodzenia ciekłego helu wymaganego przez magnesy ITER. W cytowanej oficjalnej broszurze SPARC znajduje się dostępny na rynku projekt przekroju kabla YBCO, który powinien być odpowiedni dla pól do 30T.

ARC to reaktor tokamakowy o mocy 270 MWe o dużym promieniu 3,3 m , mały promień1,1 m , a osiowe pole magnetyczne9,2  T .

Punkt projektowy ma współczynnik wzmocnienia energii termojądrowej Q p ≈ 13,6 (plazma wytwarza 13 razy więcej energii termojądrowej niż jest wymagane do jej podgrzania), ale jest w pełni nieindukcyjny, z frakcją ładowania początkowego ~63%.

Projekt jest możliwy dzięki polu szczytowemu ~23 T na cewce. Zewnętrzny napęd prądowy jest dostarczany przez dwa wewnętrzne wyrzutnie RF za pomocą25 MW na dolnej hybrydy i13,6 MW z cyklotronu jonów szybka fala energii. Powstały w ten sposób napęd zapewnia stabilną plazmę rdzenia, daleką od zakłócających ograniczeń.

Zdejmowane naczynie próżniowe

Konstrukcja zawiera wyjmowane naczynie próżniowe (stały element, który oddziela plazmę i otaczającą próżnię od płynnego płaszcza), który nie wymaga demontażu całego urządzenia. To sprawia, że ​​dobrze nadaje się do badań nad innymi zmianami konstrukcyjnymi.

Płynny koc

Większość stałych materiałów osłonowych stosowanych do otaczania komory syntezy jądrowej w konwencjonalnych konstrukcjach zastępuje się stopioną solą fluorowo- litowo- berylową (FLiBe), którą można łatwo cyrkulować/wymieniać, co zmniejsza koszty konserwacji.

Ciekły koc zapewnia moderację i ekranowanie neutronów, usuwanie ciepła oraz współczynnik rozmnażania trytu ≥ 1,1. Duży zakres temperatur, w którym FLiBe jest płynny, pozwala na pracę koca przy800 K z jednofazowym chłodzeniem cieczowym i cyklem Braytona .

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki