Współczynnik zysku energii syntezy jądrowej - Fusion energy gain factor

Wybuch bomby wodorowej Ivy Mike . Bomba wodorowa jest jedynym urządzeniem, które jest w stanie osiągnąć współczynnik zysku energii syntezy znacznie większy niż 1.

Współczynnik wzmocnienia energii syntezy , zwykle wyrażone symbolem Q jest stosunkiem mocy fuzyjne wytwarza się w syntezy jądrowej reaktora do mocy potrzebnej do utrzymania w osoczu w stanie równowagi . Warunek Q = 1, gdy moc uwalniana w wyniku reakcji syntezy jądrowej jest równa wymaganej mocy grzewczej, określany jest jako próg rentowności lub w niektórych źródłach jako próg rentowności .

Energia wydzielana przez reakcje syntezy jądrowej może zostać wychwycona w paliwie, prowadząc do samoogrzewania . Większość reakcji syntezy jądrowej uwalnia przynajmniej część swojej energii w postaci, która nie może zostać wychwycona w plazmie, więc system przy Q = 1 będzie się chłodził bez zewnętrznego ogrzewania. W przypadku typowych paliw nie oczekuje się, że samoogrzewanie w reaktorach termojądrowych będzie odpowiadało zewnętrznym źródłom, aż do co najmniej Q = 5. Jeśli Q wzrośnie powyżej tego punktu, zwiększenie samoogrzewania ostatecznie eliminuje potrzebę ogrzewania zewnętrznego. W tym momencie reakcja staje się samopodtrzymująca, stan zwany zapłonem . Zapłon odpowiada nieskończonej wartości Q i jest ogólnie uważany za wysoce pożądany w praktycznych projektach reaktorów.

Z biegiem czasu do leksykonu fuzji weszło kilka powiązanych terminów. Energia, która nie jest wychwycona w paliwie, może zostać wychwycona zewnętrznie w celu wytworzenia energii elektrycznej. Ta energia elektryczna może być wykorzystana do podgrzania plazmy do temperatur roboczych. System, który jest w ten sposób zasilany samodzielnie, jest określany jako działający na granicy rentowności inżynieryjnej . Działając powyżej progu inżynieryjnego, maszyna wytwarzałaby więcej energii elektrycznej niż zużywa i mogłaby sprzedawać tę nadwyżkę. Taki, który sprzedaje wystarczającą ilość energii elektrycznej, aby pokryć koszty operacyjne, jest czasami określany mianem rentowności ekonomicznej . Ponadto paliwa do syntezy jądrowej, zwłaszcza tryt , są bardzo drogie, dlatego wiele eksperymentów przeprowadza się na różnych gazach testowych, takich jak wodór czy deuter . Mówi się, że reaktor pracujący na tych paliwach, który osiąga warunki progu rentowności, jeśli wprowadzono tryt, pracuje z ekstrapolowanym progiem rentowności .

Od 2021 r. rekord Q jest utrzymywany przez tokamak JET w Wielkiej Brytanii, przy Q = (16 MW)/(24 MW) ≈ 0,67, po raz pierwszy osiągnięty w 1997 r. Najwyższy rekord ekstrapolowanego progu rentowności został opublikowany przez JT- Urządzenie 60 , z Q _ext = 1,25, nieznacznie pokonujące wcześniejsze 1,14 JET-a. ITER został pierwotnie zaprojektowany do osiągnięcia zapłonu, ale obecnie jest zaprojektowany tak, aby osiągnąć Q = 10, wytwarzając 500 MW mocy termojądrowej z 50 MW wprowadzonej mocy cieplnej.

Pojęcie

Q jest tylko porównanie energii jest uwalniane w reakcji syntezy w reaktorze, P _FUS do zasilania stałego ogrzewania dostarczanego, P _ciepła , w normalnych warunkach pracy. W przypadku projektów, które nie działają w stanie ustalonym, ale zamiast tego są impulsowe, te same obliczenia można wykonać, sumując całą energię syntezy jądrowej wytworzoną w P _fus i całą energię zużytą na wytwarzanie impulsu w P _heat . Istnieje jednak kilka definicji progu rentowności, które uwzględniają dodatkowe straty mocy.

Wyrównanie

W 1955 roku John Lawson jako pierwszy szczegółowo zbadał mechanizmy bilansu energetycznego, początkowo w sklasyfikowanych pracach, ale opublikowanych otwarcie w sławnym obecnie artykule z 1957 roku. W tym artykule rozważył i udoskonalił prace wcześniejszych badaczy, w szczególności Hansa Thirringa , Petera Thonemanna oraz artykuł przeglądowy Richarda Posta . Rozwijając to wszystko, artykuł Lawsona zawiera szczegółowe prognozy dotyczące ilości energii, która zostanie utracona w wyniku różnych mechanizmów i porównana z energią potrzebną do podtrzymania reakcji. Ta równowaga jest dziś znana jako kryterium Lawsona .

W udane konstrukcji reaktora syntezy, reakcje fuzji wytwarzają pewną ilość energii oznaczony P _FUS . Część tej energii, _strata P , jest tracona w wyniku różnych mechanizmów, głównie konwekcji paliwa do ścian komory reaktora i różnych form promieniowania, których nie można przechwycić w celu wytworzenia mocy. W celu utrzymania będzie reakcja, system musi zapewnić ogrzewanie nadrobić te straty, gdzie P _strata = P _ciepła w celu utrzymania równowagi termicznej.

Najbardziej podstawową definicją progu rentowności jest sytuacja, gdy Q = 1, to znaczy P _fus = P _heat .

Niektóre prace odnoszą się do tej definicji jako naukowego progu rentowności , aby przeciwstawić ją podobnym terminom. Jednak to użycie jest rzadkością poza niektórymi obszarami, w szczególności polem inercyjnej syntezy termojądrowej , gdzie termin ten jest znacznie szerzej używany. Urządzenia inercyjne i wiele podobnych koncepcji nie próbuje utrzymać równowagi, ale po prostu przechwytuje wytworzoną energię. W tym przypadku _ciepło P uwzględnia całą energię potrzebną do wytworzenia reakcji, niezależnie od tego, czy jest to bezpośrednie ogrzewanie, czy inne systemy, takie jak laser lub kompresja magnetyczna.

Ekstrapolowany próg rentowności

Od lat pięćdziesiątych większość komercyjnych projektów reaktorów syntezy jądrowej opierała się na mieszance deuteru i trytu jako paliwa podstawowego; inne paliwa mają atrakcyjne właściwości, ale znacznie trudniej je zapalić. Ponieważ tryt jest radioaktywny, wysoce bioaktywny i wysoce mobilny, stanowi poważny problem bezpieczeństwa i zwiększa koszty projektowania i eksploatacji takiego reaktora.

W celu obniżenia kosztów, wiele maszyn eksperymentalnych zaprojektowano do pracy na paliwach testowych samego wodoru lub deuteru, z pominięciem trytu. W tym przypadku termin ekstrapolowany próg rentowności jest używany do określenia oczekiwanej wydajności maszyny pracującej na paliwie DT w oparciu o osiągi podczas pracy na samym wodorze lub deuterze.

Rekordy dla ekstrapolowanego progu rentowności są nieco wyższe niż rekordy dla progu rentowności naukowej. Zarówno JET, jak i JT-60 osiągnęły wartości około 1,25 (szczegóły poniżej) podczas jazdy na paliwie DD. Podczas pracy na DT, możliwe tylko w JET, maksymalna wydajność wynosi około połowy wartości ekstrapolowanej.

Inżynieria rentowności

Inny pokrewny termin, inżynieryjny próg rentowności , dotyczy potrzeby wydobycia energii z reaktora, przekształcenia jej w energię elektryczną i odprowadzenia jej części z powrotem do systemu grzewczego. Ta zamknięta pętla przesyłająca energię elektryczną z syntezy z powrotem do systemu grzewczego jest znana jako recyrkulacja . W tym przypadku podstawowa definicja zmienia się poprzez dodanie dodatkowych terminów po stronie P _{fus w} celu rozważenia wydajności tych procesów.

Reakcje DT uwalniają większość swojej energii w postaci neutronów, a mniej w postaci naładowanych cząstek, takich jak cząstki alfa . Neutrony są elektrycznie obojętne i będą przemieszczać się poza każdą konstrukcję syntezy magnetycznej w utrzymywaniu (MFE), i pomimo bardzo wysokich gęstości występujących w konstrukcjach z syntezą inercyjną (ICF), mają tendencję do łatwego ucieczki z masy paliwa również w tych konstrukcjach. Oznacza to, że tylko naładowane cząstki z reakcji mogą zostać wychwycone w masie paliwa i spowodować samonagrzewanie. Jeżeli część energii uwalnianej w naładowanych cząstkach wynosi f _ch , to moc tych cząstek wynosi P _ch = f _ch P _fus . Jeśli ten proces samonagrzewania jest doskonały, to znaczy, że całe P _ch jest wychwytywane w paliwie, oznacza to, że moc dostępna do wytworzenia energii elektrycznej to moc, która nie jest uwalniana w tej formie, lub (1 −  f _ch ) P _fus .

W przypadku neutronów przenoszących większość praktycznej energii, jak ma to miejsce w przypadku paliwa DT, ta energia neutronowa jest zwykle wychwytywana w „ końcu ” litu, który wytwarza więcej trytu, który jest używany do zasilania reaktora. Ze względu na różne egzotermiczne i endotermiczne reakcje, koc może mieć współczynnik wzmocnienia mocy M _R . M _R jest zwykle rzędu od 1,1 do 1,3, co oznacza, że wytwarza się małe ilości energii, jak również. W efekcie, całkowita ilość energii uwalnianej do otoczenia, a tym samym dostępny do produkcji energii, nazywany jest P _R , moc wyjściowa netto reaktora.

Koc jest następnie schładzany, a płyn chłodzący stosowany w wymienniku ciepła napędzającym konwencjonalne turbiny parowe i generatory. Ta energia elektryczna jest następnie przesyłana z powrotem do systemu grzewczego. Każdy z tych etapów w łańcuchu generacji ma do rozważenia wydajność. W przypadku systemów ogrzewania plazmowego jest to rzędu 60 do 70%, podczas gdy nowoczesne systemy generatorowe oparte na cyklu Rankine'a mają około 35 do 40%. Łącząc je, otrzymujemy sprawność netto pętli konwersji mocy jako całości, około 0,20 do 0,25. Oznacza to, że około 20 do 25% można recyrkulować. ${\displaystyle \eta_{ciepło}}$${\displaystyle \eta_{elec}}$${\ Displaystyle \eta _ {NPC}}$${\displaystyle P_{R}}$

Tak więc współczynnik zysku energii syntezy jądrowej wymagany do osiągnięcia rentowności inżynieryjnej jest zdefiniowany jako:

${\ Displaystyle Q_ {E} \ równoważnik {\ Frac {P_ {P_ {zapał}} {P_ {ciepło}}} = {\ Frac {1} {\ eta _ {ciepło} \ cdot f_ {obieg} \ cdot \ eta _ {elec}\cdot (1-f_{ch})}}}$

Aby zrozumieć, w jaki sposób jest używany, rozważ reaktor działający przy 20 MW i Q = 2. Q = 2 przy 20 MW oznacza, że _ciepło P wynosi 10 MW. Z tych oryginalnych 20 MW około 20% to alfy, więc zakładając całkowite wychwytywanie, 4 MW _ciepła P jest samozaopatrywane. Potrzebujemy w sumie 10 MW ogrzewania, z czego 4 uzyskujemy przez alfy, więc potrzebujemy kolejnych 6 MW mocy. Z pierwotnych 20 MW mocy w paliwie pozostają 4 MW, więc mamy 16 MW mocy netto. Używając M _R 1,15 dla koca, otrzymujemy P _R około 18,4 MW. Przy założeniu dobra 0,25, które wymaga 24 MW P _R , więc reaktor przy Q = 2 nie może osiągnąć inżynieryjnego progu rentowności. Przy Q = 4 potrzebne jest 5 MW ogrzewania, z czego 4 pochodzą z fuzji, pozostawiając 1 MW wymaganej mocy zewnętrznej, którą można łatwo wygenerować dzięki mocy netto 18,4 MW. Zatem dla tego teoretycznego projektu Q _E wynosi od 2 do 4. ${\displaystyle Q_{E}}$${\ Displaystyle \eta _ {NPC}}$

Biorąc pod uwagę straty i sprawności w świecie rzeczywistym, wartości Q od 5 do 8 są zwykle podawane dla magnetycznych urządzeń ograniczających, podczas gdy urządzenia bezwładnościowe mają znacznie niższe wartości, a zatem wymagają znacznie wyższych wartości Q _E , rzędu 50 do 100. ${\displaystyle \eta_{ciepło}}$

Zapłon

Wraz ze wzrostem temperatury plazmy szybko rośnie szybkość reakcji fuzji, a wraz z nią szybkość samonagrzewania. W przeciwieństwie do tego, straty energii, których nie można wychwycić, takie jak promieniowanie rentgenowskie, nie rosną w tym samym tempie. Tak więc, ogólnie rzecz biorąc, proces samonagrzewania staje się bardziej wydajny wraz ze wzrostem temperatury, a do jego utrzymania potrzeba mniej energii ze źródeł zewnętrznych.

Ostatecznie _ciepło P osiąga zero, co oznacza, że ​​cała energia potrzebna do utrzymania plazmy w temperaturze roboczej jest dostarczana przez samonagrzewanie, a ilość energii zewnętrznej, którą trzeba dodać, spada do zera. Ten punkt jest znany jako zapłon . W przypadku paliwa DT, gdzie tylko 20% energii jest uwalniane w postaci cząstek alfa, które powodują samonagrzewanie, nie może to nastąpić, dopóki plazma nie uwolni co najmniej pięciokrotnie mocy potrzebnej do utrzymania jej w temperaturze roboczej.

Zapłonu, z definicji, odpowiada nieskończonej Q , lecz nie oznacza to, że F _obiegowego spada do zera, gdy inne pochłaniacze energii w systemie, takie jak magnesy i chłodzących, wciąż muszą być zasilane. Na ogół, jednakże, jest znacznie mniejsza niż energia grzejników i wymagają znacznie mniejszych f _obiegowego . Co ważniejsze, prawdopodobnie liczba ta będzie prawie stała, co oznacza, że ​​dalsza poprawa wydajności plazmy będzie skutkowała większą ilością energii, która będzie mogła być bezpośrednio wykorzystana do wytwarzania komercyjnego, w przeciwieństwie do recyrkulacji.

Rentowność komercyjna

Ostateczną definicją progu rentowności jest próg rentowności komercyjnej , który występuje, gdy wartość ekonomiczna jakiejkolwiek energii elektrycznej netto pozostałej po recyrkulacji wystarcza na opłacenie reaktora. Wartość ta zależy zarówno od kosztu kapitałowego reaktora, jak i ewentualnych kosztów finansowania z tym związanych, kosztów jego eksploatacji, w tym paliwa i konserwacji oraz ceny spot energii elektrycznej.

Rentowność komercyjna opiera się na czynnikach spoza technologii samego reaktora i możliwe jest, że nawet reaktor z całkowicie zapaloną plazmą działającą znacznie powyżej progu rentowności nie wygeneruje wystarczająco szybko energii elektrycznej, aby się spłacić. To, czy którakolwiek z głównych koncepcji, takich jak ITER, może osiągnąć ten cel, jest przedmiotem dyskusji w terenie.

Praktyczny przykład

Większość projektów reaktorów termojądrowych badanych od 2017 r. opiera się na reakcji DT, ponieważ jest ona zdecydowanie najłatwiejsza do zapłonu i jest energochłonna. Jednak ta reakcja również oddaje większość swojej energii w postaci pojedynczego wysokoenergetycznego neutronu, a tylko 20% energii w postaci alfa. Zatem dla reakcji DT f _ch = 0,2. Oznacza to, że samoogrzewanie nie równa się ogrzewaniu zewnętrznemu, dopóki Q = 5.

Wartości sprawności zależą od szczegółów projektowych, ale mogą mieścić się w zakresie η _ciepła = 0,7 (70%) i η _elec = 0,4 (40%). Celem reaktora termojądrowego jest wytwarzanie energii, a nie jej recyrkulacja, więc praktyczny reaktor musi mieć f _recirc = około 0,2. Niższy byłby lepszy, ale będzie trudny do osiągnięcia. Korzystając z tych wartości, znajdujemy dla praktycznego reaktora Q = 22.

Biorąc pod uwagę ITER, mamy projekt, który wytwarza 500 MW energii na 50 MW zasilania. Jeżeli 20% mocy nagrzewa się samoczynnie, oznacza to ucieczkę 400 MW. Zakładając te same η _ciepła = 0,7 i η _elec = 0,4, ITER (teoretycznie) mógłby wyprodukować aż 112 MW ciepła. Oznacza to, że ITER działałby na granicy rentowności inżynieryjnej. Jednak ITER nie jest wyposażony w systemy pobierania energii, więc pozostaje to teoretyczne aż do kolejnych maszyn, takich jak DEMO .

Przejściowe a ciągłe

Wiele wczesnych urządzeń termojądrowych działało przez mikrosekundy, używając pewnego rodzaju impulsowego źródła zasilania do zasilania ich magnetycznego systemu ograniczającego , podczas gdy jako źródło ogrzewania wykorzystywało kompresję z zamknięcia. Lawson zdefiniował próg rentowności w tym kontekście jako całkowitą energię uwolnioną przez cały cykl reakcji w porównaniu z całkowitą energią dostarczoną do maszyny podczas tego samego cyklu.

Z biegiem czasu, wraz ze wzrostem wydajności o rzędy wielkości, czasy reakcji wydłużyły się z mikrosekund do sekund, a w ITER rzędu minut. W tym przypadku zaciera się definicja „całego cyklu reakcji”. Na przykład w przypadku zapalonej plazmy _ciepło P może być dość wysokie podczas konfiguracji systemu, a następnie spaść do zera, gdy jest w pełni rozwinięty, więc można pokusić się o wybranie momentu, w którym jest działa najlepiej, aby określić wysokie lub nieskończone Q . Lepszym rozwiązaniem w takich przypadkach jest użycie oryginalnej definicji Lawsona uśrednionej względem reakcji, aby uzyskać podobną wartość jak oryginalna definicja.

Jest dodatkowa komplikacja. Podczas fazy nagrzewania, kiedy system jest doprowadzany do warunków operacyjnych, część energii uwolnionej w reakcjach syntezy jądrowej zostanie wykorzystana do podgrzania otaczającego paliwa, a tym samym nie zostanie uwolniona do środowiska. Nie jest to już prawdą, gdy plazma osiąga temperaturę operacyjną i wchodzi w stan równowagi termicznej. Tak więc, jeśli ktoś uśrednia w całym cyklu, energia ta zostanie uwzględniona jako część okresu ogrzewania, to znaczy część energii, która została przechwycona do ogrzewania, zostałaby w przeciwnym razie uwolniona w _Pfus i dlatego nie wskazuje na działanie. P .

Operatorzy reaktora JET argumentowali, że ten wkład powinien zostać usunięty z całości:

${\ Displaystyle Q * \ równoważnik {\ Frac {P_ {fus}} {P_ {ciepło}-P_ {temp}}}}$

gdzie:

${\ Displaystyle P_ {temp} = {\ Frac {dWp} {dt}}}$

Oznacza to, że P _temp to moc zastosowana do podniesienia wewnętrznej energii plazmy. To właśnie ta definicja została użyta podczas raportowania rekordowej wartości JET 0,67.

Trwają dyskusje nad tą definicją. W 1998 roku operatorzy JT-60 twierdzili, że osiągnęli Q = 1,25 na paliwie DD, osiągając w ten sposób ekstrapolowany próg rentowności. Pomiar ten opierał się na definicji Q* w JET. Stosując tę ​​definicję, JET nieco wcześniej osiągnął również ekstrapolowany próg rentowności. Jeśli weźmie się pod uwagę bilans energetyczny w tych warunkach i analizę poprzednich maszyn, argumentuje się, że należy zastosować pierwotną definicję, a zatem obie maszyny pozostają znacznie poniżej progu rentowności wszelkiego rodzaju.

Przełom naukowy w NIF

Chociaż większość eksperymentów termojądrowych wykorzystuje jakąś formę utrzymywania magnetycznego, inną ważną gałęzią jest fuzja bezwładnościowa (ICF), która mechanicznie ściska masę paliwa („cel”) w celu zwiększenia jego gęstości. To znacznie zwiększa szybkość zdarzeń syntezy jądrowej i zmniejsza potrzebę trzymania paliwa przez długi czas. Ta kompresja jest osiągana przez podgrzewanie lekkiej kapsułki zawierającej paliwo za pomocą jakiejś formy „sterownika”. Istnieje wiele proponowanych sterowników, ale do tej pory większość eksperymentów wykorzystywała lasery .

Używając tradycyjnej definicji Q , P _fus / P _ciepła , urządzenia ICF mają wyjątkowo niskie Q . Dzieje się tak, ponieważ laser jest wyjątkowo nieefektywny; podczas gdy grzałki stosowane w układach magnetycznych mogą być rzędu 70%, lasery są rzędu 1%. ${\displaystyle \eta_{ciepło}}$

Z tego powodu Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), lider badań ICF, zaproponował kolejną modyfikację Q, która definiuje _ciepło P jako energię dostarczaną przez sterownik do kapsuły, w przeciwieństwie do energii wkładanej do sterownika przez zewnętrzne źródło zasilania. Oznacza to, że proponują usunięcie niesprawności lasera z rozważania na temat wzmocnienia. Ta definicja daje znacznie wyższe wartości Q i zmienia definicję progu rentowności na P _fus / P _laser = 1. Czasami określali tę definicję jako „naukowy próg rentowności”. Termin ten nie był powszechnie używany; inne grupy przyjęły redefinicję Q, ale nadal odnosiły się do _lasera P _fus = P po prostu jako progu rentowności.

7 października 2013 r. LLNL ogłosiło, że 29 września osiągnęło próg rentowności w National Ignition Facility (NIF). W tym doświadczeniu, P _FUS wynosiła około 14 kJ, a moc lasera 1,8 MJ. Według ich poprzedniej definicji byłoby to Q 0,0077. W tym komunikacie prasowym ponownie zdefiniowali Q , tym razem zrównując _ciepło P jako tylko ilość energii dostarczoną do „najgorętszej części paliwa”, obliczając, że tylko 10 kJ pierwotnej energii lasera osiągnęło część paliwo, które przechodziło reakcje syntezy jądrowej. To wydanie zostało mocno skrytykowane w terenie.

17 sierpnia 2021 r. NIF ogłosił, że na początku sierpnia 2021 r. eksperyment osiągnął wartość Q 0,7, wytwarzając 1,35 MJ energii z kapsuły paliwowej poprzez skupienie 1,9 MJ energii lasera na kapsule. Rezultatem był ośmiokrotny wzrost w stosunku do wcześniejszej produkcji energii.

Uwagi

Bibliografia

Cytaty

Bibliografia

• Entler, Slavomir (czerwiec 2015). „Inżynieria Breakeven”. Czasopismo Energii Fuzyjnej . 34 (3): 513-518}. doi : 10.1007/s10894-014-9830-2 . S2CID  189913715 .
• Lawson, John (1957). „Niektóre kryteria dla reaktora termojądrowego wytwarzającego energię”. Obrady Towarzystwa Fizycznego, Sekcja B . 70 (6): 6–10. Kod Bibcode : 1957PPSB...70....6L . doi : 10.1088/0370-1301/70/1/303 .
• Meade, Dale (październik 1997). Q, próg rentowności i diagram nτE dla plazmy przejściowej syntezy jądrowej . 17. Sympozjum IEEE/NPSS na temat inżynierii syntezy jądrowej.