Moc syntezy - Fusion power

Joint European Torus (JET) eksperyment fuzja magnetyczna w 1991 roku

Energia termojądrowa to proponowana forma wytwarzania energii , która wytwarzałaby energię elektryczną z wykorzystaniem ciepła z reakcji syntezy jądrowej . W procesie fuzji dwa lżejsze jądra atomowe łączą się, tworząc cięższe jądro, jednocześnie uwalniając energię. Urządzenia zaprojektowane do wykorzystania tej energii znane są jako reaktory termojądrowe.

Procesy fuzji wymagają paliwa i zamkniętego środowiska o wystarczającej temperaturze , ciśnieniu i czasie utrzymywania , aby wytworzyć plazmę, w której może nastąpić fuzja. Połączenie tych liczb, które daje w wyniku system wytwarzający energię, jest znane jako kryterium Lawsona . W gwiazdach najpowszechniejszym paliwem jest wodór , a grawitacja zapewnia niezwykle długie czasy uwięzienia, które pozwalają osiągnąć warunki potrzebne do produkcji energii termojądrowej. Proponowane reaktory syntezy jądrowej generalnie wykorzystują izotopy wodoru, takie jak deuter i tryt (a zwłaszcza ich mieszanina ), które reagują łatwiej niż wodór, aby umożliwić im spełnienie wymagań kryterium Lawsona w mniej ekstremalnych warunkach. Większość projektów ma na celu podgrzanie paliwa do około 100 milionów stopni, co stanowi poważne wyzwanie w stworzeniu udanego projektu.

Oczekuje się, że synteza jądrowa jako źródło energii będzie miała wiele zalet w porównaniu z rozszczepieniem . Obejmują one zmniejszoną radioaktywność podczas eksploatacji i niewielką ilość wysokoaktywnych odpadów nuklearnych , duże zapasy paliwa i zwiększone bezpieczeństwo. Okazało się jednak, że niezbędna kombinacja temperatury, ciśnienia i czasu trwania jest trudna do wytworzenia w praktyczny i ekonomiczny sposób. Badania nad reaktorami termojądrowymi rozpoczęły się w latach 40. XX wieku, ale do tej pory żaden projekt nie wytwarzał większej mocy wyjściowej z syntezy jądrowej niż wejściowa energia elektryczna. Drugą kwestią, która wpływa na typowe reakcje, jest zarządzanie neutronami uwalnianymi podczas reakcji, które z czasem degradują wiele powszechnie stosowanych materiałów w komorze reakcyjnej.

Naukowcy zajmujący się fuzją zbadali różne koncepcje odosobnienia. Wczesny nacisk kładziono na trzy główne systemy: z-pinch , stellator i lustro magnetyczne . Obecnie wiodącymi projektami są tokamak i inercyjne unieruchomienie (ICF) za pomocą lasera . Oba projekty są przedmiotem badań na bardzo dużą skalę, w szczególności tokamak ITER we Francji oraz laser NIF ( National Ignition Facility ) w Stanach Zjednoczonych. Naukowcy badają również inne projekty, które mogą oferować tańsze podejścia. Wśród tych alternatyw rośnie zainteresowanie fuzją namagnesowanego celu i bezwładnościowym zamknięciem elektrostatycznym oraz nowymi odmianami stellaratora.

Tło

Sun , podobnie jak inne gwiazdek , jest naturalnym reaktorem fusion, gdzie gwiezdny nukleosynteza przekształca lżejszych elementów w cięższych pierwiastków z uwolnieniem energii.
Energia wiązania dla różnych jąder atomowych . Iron-56 ma najwyższy, co czyni go najbardziej stabilnym. Jądra po lewej prawdopodobnie uwalniają energię, gdy się łączą ( fuzja ); te po prawej są prawdopodobnie niestabilne i uwalniają energię, gdy się rozdzielają ( rozszczepienie ).

Mechanizm

Reakcje fuzji zachodzą, gdy dwa lub więcej jąder atomowych zbliży się wystarczająco blisko na wystarczająco długo, aby siła jądrowa ciągnąca je razem przewyższała siłę elektrostatyczną odpychającą je od siebie, łącząc je w cięższe jądra. W przypadku jąder cięższych niż żelazo-56 reakcja jest endotermiczna , wymagająca dostarczenia energii. Ciężkie jądra większe niż żelazo mają znacznie więcej protonów, co skutkuje większą siłą odpychającą. W przypadku jąder lżejszych niż żelazo-56 reakcja jest egzotermiczna , uwalniając energię podczas fuzji. Ponieważ wodór ma pojedynczy proton w swoim jądrze, wymaga najmniejszego wysiłku, aby osiągnąć fuzję i daje najwięcej energii netto. Ponieważ posiada jeden elektron, wodór jest najłatwiejszym do pełnej jonizacji paliwem.

Siła silna działa tylko na krótkie odległości (co najwyżej jeden femtometr, średnica jednego protonu lub neutronu), natomiast odpychająca siła elektrostatyczna między jądrami działa na większe odległości. Aby przejść fuzję, atomy paliwa muszą otrzymać wystarczającą energię kinetyczną, aby zbliżyć się do siebie na tyle blisko, aby silna siła przezwyciężyła odpychanie elektrostatyczne. Ilość energii kinetycznej potrzebna do zbliżenia atomów paliwa jest znana jako „ bariera kulombowska ”. Sposoby dostarczania tej energii obejmują przyspieszanie atomów w akceleratorze cząstek lub podgrzewanie ich do wysokich temperatur.

Gdy atom zostanie podgrzany powyżej jego energii jonizacji , jego elektrony są usuwane, pozostawiając tylko nagie jądro. Proces ten jest znany jako jonizacja, a powstałe jądro znane jest jako jon . Rezultatem jest gorąca chmura jonów i przyłączonych do nich wolnych elektronów, znana jako plazma . Ponieważ ładunki są rozdzielone, plazmy są elektrycznie przewodzące i sterowane magnetycznie. Wiele urządzeń do fuzji wykorzystuje to, aby ograniczyć cząstki podczas ich podgrzewania.

Przekrój

Szybkość reakcji syntezy szybko wzrasta wraz z temperaturą, aż do maksymalizacji, a następnie stopniowo spada. Szybkość syntezy deuteru z trytem osiąga szczyty w niższej temperaturze (około 70 keV lub 800 milionów kelwinów) i przy wyższej wartości niż w innych reakcjach powszechnie uważanych za energię syntezy jądrowej.

Przekrój poprzeczny reakcji , oznaczony jako σ, mierzy prawdopodobieństwo wystąpienia reakcji syntezy jądrowej. Zależy to od względnej prędkości dwóch jąder. Wyższe prędkości względne generalnie zwiększają prawdopodobieństwo, ale prawdopodobieństwo zaczyna znowu spadać przy bardzo wysokich energiach.

W plazmie prędkość cząstek można scharakteryzować za pomocą rozkładu prawdopodobieństwa . Jeśli plazma jest termizowana , rozkład wygląda jak krzywa Gaussa lub rozkład Maxwella-Boltzmanna . W takim przypadku przydatne jest wykorzystanie średniego przekroju cząstek w rozkładzie prędkości. Jest to wprowadzane do wolumetrycznej szybkości zgrzewania:

gdzie:

  • to energia wytworzona przez fuzję, na czas i objętość
  • n jest gęstością liczbową gatunków A lub B cząstek w objętości
  • jest przekrojem tej reakcji, uśrednionym dla wszystkich prędkości obu gatunków v
  • to energia uwalniana przez tę reakcję fuzji.

Kryterium Lawsona

W Lawson kryterium pokazuje, jak wydajność energetyczna zależy od temperatury, gęstości, prędkości zderzenia dla danego paliwa. Równanie to było kluczowe dla analizy fuzji jądrowej przeprowadzonej przez Johna Lawsona z gorącą plazmą. Lawson przyjął bilans energetyczny , pokazany poniżej.

  • η , wydajność
  • , straty przewodzenia, gdy masa energetyczna opuszcza plazmę
  • , straty promieniowania jako energia pozostawia jako światło
  • , moc netto z fuzji
  • , to szybkość energii generowanej przez reakcje syntezy jądrowej.

Chmury plazmowe tracą energię na skutek przewodzenia i promieniowania . Przewodzenie ma miejsce, gdy jony , elektrony lub obojętne uderzają w inne substancje, zazwyczaj na powierzchnię urządzenia, i przekazują część swojej energii kinetycznej innym atomom. Promieniowanie to energia, która opuszcza chmurę w postaci światła. Promieniowanie wzrasta wraz z temperaturą. Technologie energii termojądrowej muszą przezwyciężyć te straty.

Potrójny produkt: gęstość, temperatura, czas

Kryterium Lawson twierdzi, że maszyna trzyma thermalized i quasi- neutralną plazmę musi generować wystarczającą ilość energii, aby przezwyciężyć swoje straty energii. Ilość energii uwolnionej w danej objętości jest funkcją temperatury, a zatem szybkości reakcji w przeliczeniu na cząstkę, gęstości cząstek w tej objętości i wreszcie czasu uwięzienia, czyli czasu, przez jaki energia pozostaje w objętość. Jest to znane jako „produkt potrójny”: gęstość plazmy, temperatura i czas utrzymywania.

W zamknięciu magnetycznym gęstość jest niska, rzędu „dobrej próżni”. Na przykład w urządzeniu ITER gęstość paliwa wynosi około 10 x 10 19 , co odpowiada około milionowej gęstości atmosfery. Oznacza to, że temperatura i/lub czas zamknięcia muszą wzrosnąć. Temperatury związane z fuzją osiągnięto przy użyciu różnych metod ogrzewania, które zostały opracowane na początku lat 70-tych. W nowoczesnych maszynach od 2019 r. głównym problemem pozostał czas zamknięcia. Plazmy w silnych polach magnetycznych podlegają szeregowi nieodłącznych niestabilności, które muszą zostać stłumione, aby osiągnąć użyteczne czasy trwania. Jednym ze sposobów, aby to zrobić, jest po prostu zwiększenie objętości reaktora, co zmniejsza szybkość wycieku z powodu klasycznej dyfuzji . Dlatego ITER jest tak duży.

W przeciwieństwie do tego, systemy bezwładnościowe osiągają użyteczne potrójne wartości produktów poprzez wyższą gęstość i mają krótkie odstępy czasu utrzymywania. W NIF początkowy ładunek zamrożonego paliwa wodorowego ma gęstość mniejszą niż woda, która jest około 100 razy większa od gęstości ołowiu. W tych warunkach szybkość syntezy jest tak wysoka, że ​​paliwo topi się w ciągu mikrosekund potrzebnych do rozerwania paliwa przez ciepło wytworzone w wyniku reakcji. Chociaż NIF jest również duży, jest to funkcja jego „sterownika”, a nie związana z procesem fuzji.

Przechwytywanie energii

Zaproponowano wiele podejść do przechwytywania energii wytwarzanej przez fuzję. Najprostszym jest podgrzanie płynu. Powszechnie ukierunkowana reakcja DT uwalnia większość swojej energii w postaci szybko poruszających się neutronów. Neutralny elektrycznie neutron nie ma wpływu na schemat utrzymywania. W większości tego typu konstrukcji jest on uchwycony w grubym „kocu” litu otaczającym rdzeń reaktora. Po uderzeniu neutronem o wysokiej energii koc nagrzewa się. Następnie jest aktywnie chłodzony płynem roboczym, który napędza turbinę do wytwarzania energii.

W innym projekcie zaproponowano wykorzystanie neutronów do rozmnażania paliwa rozszczepienia w warstwie odpadów nuklearnych , co jest koncepcją znaną jako hybryda syntezy jądrowej . W tych systemach moc wyjściowa jest zwiększana przez zdarzenia rozszczepienia, a energia jest pobierana za pomocą systemów takich jak te w konwencjonalnych reaktorach rozszczepienia.

Projekty wykorzystujące inne paliwa, w szczególności aneutronową reakcję syntezy protonowo-borowej , uwalniają znacznie więcej energii w postaci naładowanych cząstek. W takich przypadkach możliwe są systemy ekstrakcji energii oparte na ruchu tych ładunków. Bezpośrednia konwersja energii została opracowana w Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) w latach 80-tych jako metoda bezpośredniego utrzymywania napięcia przy użyciu produktów reakcji fuzji. Wykazało to wydajność wychwytywania energii na poziomie 48 procent.

Metody

Zachowanie plazmy

Plazma to zjonizowany gaz przewodzący prąd elektryczny. Ogólnie rzecz biorąc, modeluje się go za pomocą magnetohydrodynamiki , która jest kombinacją równań Naviera-Stokesa rządzących płynami oraz równań Maxwella rządzących zachowaniem pola magnetycznego i elektrycznego . Fusion wykorzystuje kilka właściwości plazmy, w tym:

  • Samoorganizująca się plazma przewodzi pola elektryczne i magnetyczne. Jego ruchy generują pola, które z kolei mogą go zawierać.
  • Plazma diamagnetyczna może generować własne wewnętrzne pole magnetyczne. Może to odrzucić przyłożone zewnętrznie pole magnetyczne, czyniąc je diamagnetycznymi.
  • Lustra magnetyczne mogą odbijać plazmę, gdy porusza się ona od pola o niskiej do wysokiej gęstości. :24

Ograniczenie magnetyczne

  • Tokamak : najbardziej rozwinięte i dobrze finansowane podejście. Ta metoda napędza gorącą plazmę w magnetycznie ograniczonym torusie za pomocą wewnętrznego prądu. Po ukończeniu ITER stanie się największym tokamakiem na świecie. Szacuje się, że do kwietnia 2012 r. zaplanowano, wycofano z eksploatacji lub uruchomiono (35) na całym świecie 215 eksperymentalnych tokamaków.
  • Tokamak sferyczny : znany również jako torus sferyczny. Odmiana tokamaka o kulistym kształcie.
  • Stellarator : skręcone pierścienie gorącej plazmy. Stellarator próbuje stworzyć naturalną skręconą ścieżkę plazmy za pomocą zewnętrznych magnesów. Stellarator został opracowany przez Lymana Spitzera w 1950 roku i ewoluował w cztery konstrukcje: Torsatron, Heliotron, Heliac i Helias. Jednym z przykładów jest niemieckie urządzenie Wendelstein 7-X . To największy stellarator na świecie.
  • Pierścienie wewnętrzne: Stellaratory wytwarzają skręconą plazmę za pomocą zewnętrznych magnesów, podczas gdy tokamaki robią to za pomocą prądu indukowanego w plazmie. Kilka klas konstrukcji zapewnia ten skręt przy użyciu przewodników wewnątrz plazmy. Wczesne obliczenia wykazały, że zderzenia między plazmą a podporami dla przewodników usuną energię szybciej, niż mogłyby ją zastąpić reakcje syntezy jądrowej. Nowoczesne odmiany, w tym eksperyment z lewitowanym dipolem (LDX) , wykorzystują stały nadprzewodnikowy torus, który jest magnetycznie lewitowany wewnątrz komory reaktora.
  • Lustro magnetyczne : opracowane przez Richarda F. Posta i zespoły z LLNL w latach 60. XX wieku. Lustra magnetyczne odbijają plazmę w jedną i drugą stronę w linii. Wariacje obejmowały Tandem Mirror , butelkę magnetyczną i dwukoniczny guzek . Seria maszyn lustrzanych została zbudowana przez rząd USA w latach 70. i 80., głównie w LLNL. Jednak obliczenia przeprowadzone w latach 70. oszacowały, że jest mało prawdopodobne, by były one kiedykolwiek użyteczne komercyjnie.
  • Wyboisty torus : W pierścieniu toroidalnym ułożonych jest szereg zwierciadeł magnetycznych. Wszelkie jony paliwa, które wyciekają z jednego z nich, są uwięzione w sąsiednim lustrze, co pozwala na dowolne podniesienie ciśnienia plazmy bez strat. Obiekt eksperymentalny, ELMO Bumpy Torus lub EBT, został zbudowany i przetestowany w Oak Ridge National Laboratory (ORNL) w latach 70. XX wieku.
  • Konfiguracja z odwróconym polem : To urządzenie zatrzymuje plazmę w samoorganizującej się quasi-stabilnej strukturze; gdzie ruch cząstki wytwarza wewnętrzne pole magnetyczne, które następnie zatrzymuje się.
  • Spheromak : Podobna do konfiguracji z odwróconym polem, półstabilna struktura plazmy wykonana z samogenerującego się pola magnetycznego plazmy. Sferomak ma zarówno pola toroidalne, jak i poloidalne, podczas gdy konfiguracja z odwróconym polem nie ma pola toroidalnego.
  • Odwrócona szczypta pola : Tutaj plazma porusza się wewnątrz pierścienia. Posiada wewnętrzne pole magnetyczne. Wychodząc ze środka tego pierścienia, pole magnetyczne odwraca kierunek.

Uwięzienie inercyjne

  • Napęd pośredni: Lasery ogrzewają strukturę znaną jako Hohlraum, która staje się tak gorąca, że ​​zaczyna promieniować promieniowaniem rentgenowskim . Te promienie rentgenowskie ogrzewają granulkę paliwa, powodując jej zapadanie się do wewnątrz i kompresję paliwa. Największym systemem wykorzystującym tę metodę jest National Ignition Facility , a tuż za nim Laser Megajoule .
  • Napęd bezpośredni: Lasery bezpośrednio podgrzewają pellet paliwowy. Godne uwagi eksperymenty z napędem bezpośrednim przeprowadzono w Laboratorium Energetyki Laserowej (LLE) i obiektach GEKKO XII . Dobre implozje wymagają granulek paliwa o zbliżonym do idealnego kształcie, aby wygenerować symetryczną do wewnątrz falę uderzeniową, która wytwarza plazmę o dużej gęstości.
  • Szybki zapłon: Ta metoda wykorzystuje dwa podmuchy lasera. Pierwszy podmuch kompresuje paliwo fuzyjne, podczas gdy drugi je zapala. Od 2019 r. technika ta straciła przychylność do produkcji energii.
  • Fuzja magneto-inercyjna lub fuzja inercyjna namagnesowanej wkładki : Łączy impuls laserowy z szczyptą magnetyczną. Społeczność szczypania nazywa ją fuzją inercyjną namagnesowaną wkładką, podczas gdy społeczność ICF nazywa ją fuzją magneto-inercyjną.
  • Wiązki jonów: Wiązki jonów zastępują wiązki laserowe w celu podgrzania paliwa. Główna różnica polega na tym, że wiązka ma pęd ze względu na masę, podczas gdy lasery nie. Od 2019 r. wydaje się mało prawdopodobne, aby wiązki jonów mogły być wystarczająco skupione przestrzennie i w czasie.
  • Maszyna Z : Przesyła prąd elektryczny przez cienkie druty wolframowe, podgrzewając je wystarczająco, aby wygenerować promieniowanie rentgenowskie. Podobnie jak w przypadku podejścia z napędem pośrednim, te zdjęcia rentgenowskie ściskają kapsułę paliwową.

Szczypce magnetyczne lub elektryczne

  • Ściśnięcie Z : Prąd płynie w kierunku Z przez plazmę. Prąd wytwarza pole magnetyczne, które kompresuje plazmę. Szczypce były pierwszą metodą kontrolowanej syntezy termojądrowej wytwarzanej przez człowieka. Skurcz z ma nieodłączne niestabilności, które ograniczają jego ściskanie i podgrzewanie do wartości zbyt niskich do praktycznego zgrzewania. Największa tego typu maszyna, brytyjska ZETA , była ostatnim dużym eksperymentem tego typu. Problemy ze skurczem-z doprowadziły do ​​zaprojektowania tokamaka. Ostrości gęsta plazma jest prawdopodobnie lepszy wariant.
  • Theta-Pinch: Prąd krąży wokół zewnętrznej kolumny plazmy w kierunku theta. To indukuje pole magnetyczne biegnące w dół centrum plazmy, a nie wokół niej. Wczesne urządzenie zaciskające theta, Scylla, było pierwszym, które jednoznacznie zademonstrowało fuzję, ale późniejsze prace wykazały, że ma nieodłączne ograniczenia, które czynią go nieinteresującym dla produkcji energii.
  • Stymulacja typu Z stabilizowana przepływem ścinanym: Badania prowadzone na Uniwersytecie Waszyngtońskim pod kierunkiem Uri Shumlaka dotyczyły zastosowania stabilizacji ze ścinanym przepływem w celu wygładzenia niestabilności reaktorów typu Z-pinch. Polega to na przyspieszeniu gazu obojętnego wzdłuż osi zacisku. Eksperymentalne maszyny obejmowały eksperymentalne reaktory FuZE i Zap Flow Z-Pinch. W 2017 roku Benj Conway, Brian Nelson i Uri Shumlak założyli Zap Energy, aby spróbować skomercjalizować technologię do produkcji energii.
  • Ścisk śrubowy: Ta metoda łączy zaciskanie theta i zaciskanie z w celu lepszej stabilizacji.

Bezwładnościowe zamknięcie elektrostatyczne

  • Fusor : Pole elektryczne podgrzewa jony do warunków fuzji. Maszyna zazwyczaj wykorzystuje dwie kuliste klatki, katodę wewnątrz anody, wewnątrz próżni. Maszyny te nie są uważane za realne podejście do mocy netto ze względu na ich wysokiestraty przewodzenia i promieniowania . Są na tyle proste w budowie, że amatorzy używają ich do fuzji atomów.
  • Polywell : Próby połączenia ograniczenia magnetycznego z polami elektrostatycznymi, aby uniknąćstrat przewodzenia generowanych przez klatkę.

Inne

  • Namagnesowana fuzja celu : ogranicza gorącą plazmę za pomocą pola magnetycznego i ściska ją za pomocą bezwładności. Przykłady obejmująmaszynę LANL FRX-L, General Fusion (kompresja tłoka z wyłożeniem z ciekłego metalu), HyperJet Fusion (kompresja plazmowa z wyłożeniem plazmy).
  • Niekontrolowane: Fuzja została zainicjowana przez człowieka, wykorzystując niekontrolowane eksplozje rozszczepienia do stymulowania fuzji. Wczesne propozycje dotyczące energii termojądrowej obejmowały użycie bomb do inicjowania reakcji. Zobacz Projekt PACER .
  • Fuzja wiązki: Wiązka cząstek o wysokiej energii wystrzelona w inną wiązkę lub cel może zainicjować fuzję. Wykorzystano to w latach 70. i 80. do badania przekrojów reakcji fuzji. Jednak systemy wiązkowe nie mogą być wykorzystywane do zasilania, ponieważ utrzymanie spójności wiązki wymaga więcej energii niż pochodzi z syntezy jądrowej.
  • Mion katalizowanej fuzję : Podejście zastępuje elektronów w dwuatomowej cząsteczek z izotopów z wodorem z miony - bardziej masywnych cząsteczek o tym samym ładunku elektrycznym . Ich większa masa ściska jądra na tyle, że silne oddziaływanie może spowodować fuzję. Od 2007 r. produkcja mionów wymagała więcej energii niż można uzyskać z fuzji katalizowanej mionami.

Wspólne narzędzia

Wiele podejść, sprzętu i mechanizmów jest stosowanych w wielu projektach w celu rozwiązania problemu ogrzewania termojądrowego, pomiarów i wytwarzania energii.

Ogrzewanie

  • Ogrzewanie elektrostatyczne: pole elektryczne może działać na naładowane jony lub elektrony, podgrzewając je.
  • Wstrzykiwanie neutralnej wiązki : wodór jest jonizowany i przyspieszany przez pole elektryczne, tworząc naładowaną wiązkę, która jest przepuszczana przez źródło neutralnego gazowego wodoru w kierunku plazmy, która sama jest zjonizowana i zawarta w polu magnetycznym. Część pośredniego wodoru gazowego jest przyspieszana w kierunku plazmy przez zderzenia z naładowaną wiązką, pozostając obojętną: ta neutralna wiązka jest zatem nienaruszona przez pole magnetyczne i dociera do plazmy. Po wejściu do plazmy wiązka neutralna przekazuje energię do plazmy poprzez zderzenia, które jonizują ją i pozwalają na zatrzymanie jej przez pole magnetyczne, tym samym podgrzewając i uzupełniając paliwo w jednej operacji. Pozostała część naładowanej wiązki jest kierowana przez pola magnetyczne na chłodzone zrzuty wiązki.
  • Ogrzewanie o częstotliwości radiowej: fala radiowa powoduje drgania plazmy (np. kuchenka mikrofalowa ). Nazywa się to również nagrzewaniem rezonansu elektronowego cyklotronu lub nagrzewaniem dielektrycznym .
  • Ponowne połączenie magnetyczne : gdy plazma staje się gęsta, jej właściwości elektromagnetyczne mogą się zmienić, co może prowadzić do ponownego połączenia magnetycznego . Ponowne połączenie pomaga w fuzji, ponieważ natychmiast zrzuca energię do plazmy, szybko ją podgrzewając. Do 45% energii pola magnetycznego może ogrzać jony.
  • Oscylacje magnetyczne: zmienne prądy elektryczne mogą być dostarczane do cewek magnetycznych, które ogrzewają plazmę zamkniętą w ścianie magnetycznej.
  • Anihilacja antyprotonów : antyprotony wstrzyknięte do masy paliwa fuzyjnego mogą wywołać reakcje termojądrowe. Ta możliwość jako metoda napędu statków kosmicznych, znana jako impulsowy napęd jądrowy katalizowany antymaterią , była badana na Uniwersytecie Stanowym Pensylwanii w związku z proponowanym projektem AIMStar .

Pomiar

  • Pętla strumienia : pętla z drutu jest umieszczana w polu magnetycznym. Gdy pole przechodzi przez pętlę, wytwarzany jest prąd. Prąd mierzy całkowity strumień magnetyczny przez tę pętlę. Zostało to wykorzystane w National Compact Stellarator Experiment , polywell i maszynach LDX . Można zastosować sondę Langmuira , metalowy przedmiot umieszczony w plazmie. Potencjał jest do niego przykładany, dając mu napięcie na otaczającą plazmę. Metal zbiera naładowane cząstki, czerpiąc prąd. Wraz ze zmianą napięcia zmienia się prąd. To tworzy Krzywą IV . Krzywa IV może być wykorzystana do określenia lokalnej gęstości plazmy, potencjału i temperatury.
  • Rozpraszanie Thomsona : Światło rozprasza się z plazmy, co można wykorzystać do rekonstrukcji zachowania plazmy, w tym gęstości i temperatury. Jest to powszechne w zamknięcia bezwładnościowego fuzji , tokamaków i fusors . W systemach ICF wystrzelenie drugiej wiązki w złotą folię sąsiadującą z celem powoduje wytwarzanie promieni rentgenowskich, które przechodzą przez plazmę. W tokamakach można to zrobić za pomocą luster i detektorów odbijających światło.
  • Detektory neutronów : Kilka typów detektorów neutronów może rejestrować tempo, z jakim powstają neutrony.
  • Detektory rentgenowskie Promieniowanie widzialne, podczerwone, ultrafioletowe i rentgenowskie jest emitowane za każdym razem, gdy cząstka zmienia prędkość. Jeśli przyczyną jest ugięcie przez pole magnetyczne, promieniowaniem jest promieniowanie cyklotronowe przy małych prędkościach i promieniowanie synchrotronowe przy dużych prędkościach. Jeśli przyczyną jest ugięcie przez inną cząstkę, plazma emituje promieniowanie rentgenowskie, znane jako promieniowanie Bremsstrahlung .

Produkcja energii

Koce neutronowe pochłaniają neutrony, które ogrzewają koc. Moc można wydobyć z koca na różne sposoby:

  • Turbiny parowe mogą być napędzane ciepłem przeniesionym do płynu roboczego, który zamienia się w parę, napędzając generatory elektryczne.
  • Koce neutronowe: Te neutrony mogą regenerować zużyte paliwo rozszczepienia. Tryt może być wytwarzany przy użyciu koca hodowlanego składającego się z ciekłego litu lub złoża kamyczkowego chłodzonego helem, wykonanego z kamyków ceramicznych zawierających lit.
  • Konwersja bezpośrednia : Energia kinetyczna cząstki może zostać przekształcona w napięcie . Po raz pierwszy został zasugerowany przez Richarda F. Posta w połączeniu z lustrami magnetycznymi pod koniec lat sześćdziesiątych. Został on zaproponowany dla konfiguracji Field-Reversed oraz urządzeń Dense Plasma Focus . Proces przekształca dużą część losowej energii produktów syntezy jądrowej w ruch ukierunkowany. Cząstki są następnie zbierane na elektrodach przy różnych dużych potencjałach elektrycznych. Metoda ta wykazała eksperymentalną wydajność 48 procent.

Uwięzienie

Przestrzeń parametryczna zajmowana przez urządzenia wykorzystujące energię inercyjną i magnetyczną w połowie lat 90-tych. Reżim umożliwiający zapłon termojądrowy z dużym wzmocnieniem znajduje się w pobliżu prawego górnego rogu wykresu.

Uwięzienie odnosi się do wszystkich warunków niezbędnych do utrzymania gęstej i gorącej plazmy na tyle długo, aby mogła ulec fuzji. Ogólne zasady:

  • Równowaga : Siły działające na plazmę muszą być zrównoważone. Jedynym wyjątkiem jest inercyjne zamknięcie , gdzie fuzja musi nastąpić szybciej niż czas dyspergowania.
  • Stabilność : Plazma musi być skonstruowana tak, aby zakłócenia nie prowadziły do ​​rozpraszania plazmy.
  • Transport lub przewodzenie : Utrata materiału musi być wystarczająco powolna. Plazma niesie ze sobą energię, więc szybka utrata materiału zakłóci fuzję. Materiał może zostać utracony przez transport do różnych regionów lub przewodzenie przez ciało stałe lub ciecz.

Aby wytworzyć samowystarczalną fuzję, część energii uwolnionej w wyniku reakcji musi zostać wykorzystana do podgrzania nowych reagentów i utrzymania warunków do fuzji.

Nieograniczony

Pierwszy reakcji syntezy jądrowej na dużą skalę przez człowieka był testem w bombie wodoru , bluszcz Mike , w 1952 roku.

Ograniczenie magnetyczne

Lustro magnetyczne

Efekt lustra magnetycznego . Jeśli cząstka podąża za linią pola i wejdzie w obszar o wyższym natężeniu pola, cząstki mogą zostać odbite. Kilka urządzeń stosuje ten efekt. Najbardziej znane były magnetyczne maszyny lustrzane, seria urządzeń budowanych w LLNL od lat 60. do 80. XX wieku. Inne przykłady obejmują butelki magnetyczne i guzek Biconic . Ponieważ maszyny lustrzane były proste, miały pewną przewagę nad konstrukcjami w kształcie pierścienia. Zwierciadła były łatwiejsze w budowie i utrzymaniu, a przechwytywanie energii bezpośredniej konwersji było łatwiejsze do wdrożenia. Słabe zamknięcie spowodowało, że zrezygnowano z tego podejścia, z wyjątkiem projektu polywell.

Pętle magnetyczne

Pętle magnetyczne wyginają linie pola z powrotem na siebie, albo w kółko, albo częściej w zagnieżdżonych powierzchniach toroidalnych . Najbardziej rozwiniętymi systemami tego typu są tokamak, stellarator i odwrócony zacisk pola. Kompaktowe toroidy , zwłaszcza konfiguracja z odwróconym polem i sferomak, próbują połączyć zalety toroidalnych powierzchni magnetycznych z zaletami prosto połączonej (nie toroidalnej) maszyny, co skutkuje prostszym mechanicznie i mniejszym obszarem zamknięcia.

Uwięzienie inercyjne

Uwięzienie bezwładnościowe to zastosowanie szybkiej implozji do ogrzewania i ograniczania plazmy. Pocisk otaczający paliwo ulega implozji za pomocą bezpośredniego podmuchu laserowego (napęd bezpośredni), wtórnego podmuchu rentgenowskiego (napęd pośredni) lub ciężkich wiązek. Paliwo musi być sprężone do około 30-krotnej gęstości za pomocą wiązek energetycznych. Napęd bezpośredni może w zasadzie być wydajny, ale niewystarczająca jednorodność uniemożliwiła sukces. :19-20 Napęd pośredni wykorzystuje wiązki do ogrzewania pocisku, napędzając pocisk promieniami rentgenowskimi , które następnie implodują śrut. Wiązki są zwykle wiązkami laserowymi, ale zbadano wiązki jonów i elektronów. :182-193

Ograniczenie elektrostatyczne

Elektrostatyczne urządzenia do fuzji ograniczającej wykorzystują pola elektrostatyczne. Najbardziej znanym jest fusor . To urządzenie ma katodę wewnątrz klatki z drutu anodowego. Dodatnie jony lecą w kierunku ujemnej klatki wewnętrznej i są przy tym ogrzewane przez pole elektryczne. Jeśli ominą wewnętrzną klatkę, mogą się zderzyć i stopić. Jednak jony zazwyczaj uderzają w katodę, powodując zaporowe wysokie straty przewodzenia . Szybkości syntezy w fuzjerach są niskie z powodu konkurujących ze sobą efektów fizycznych, takich jak utrata energii w postaci promieniowania świetlnego. Zaproponowano projekty mające na celu uniknięcie problemów związanych z klatką, poprzez generowanie pola za pomocą chmury nieneutralnej. Należą do nich urządzenia oscylacyjnego plazmowy, ekranowany magnetycznie-grid, a pułapki napisaniu tego, Polywell oraz koncepcję kierowcy F1 katody.

Paliwa

Wszystkie paliwa brane pod uwagę do produkcji energii termojądrowej były lekkimi pierwiastkami, takimi jak izotopy wodoru — prot , deuter i tryt . Reakcja deuteru i helu-3 wymaga helu-3, izotopu helu tak rzadkiego na Ziemi, że musiałby być wydobywany poza Ziemią lub wytwarzany w innych reakcjach jądrowych. Ostatecznie naukowcy mają nadzieję na przyjęcie reakcji prot/bor-11, ponieważ nie wytwarza ona bezpośrednio neutronów, chociaż reakcje uboczne mogą.

Deuter/tryt

Schemat reakcji DT

Najłatwiejszą reakcją jądrową, przy najniższej energii, jest D+T:

2
1
D
+ 3
1
T
4
2
On
(3,5 MeV) + 1
0
n
(14,1 MeV)

Ta reakcja jest powszechna w zastosowaniach badawczych, przemysłowych i wojskowych, zwykle jako źródło neutronów. Deuter jest naturalnie występującym izotopem wodoru i jest powszechnie dostępny. Duży stosunek masowy izotopów wodoru sprawia, że ​​ich separacja jest łatwa w porównaniu z procesem wzbogacania uranu . Tryt jest naturalnym izotopem wodoru, ale ponieważ ma krótki okres półtrwania wynoszący 12,32 lat, trudno go znaleźć, przechowywać, wyprodukować i jest drogi. W rezultacie, obieg paliwa deuteru, trytu wymaga hodowli z trytu z litem , stosując jedną z następujących reakcji:

1
0
n
+ 6
3
Li
3
1
T
+ 4
2
On
1
0
n
+ 7
3
Li
3
1
T
+ 4
2
On
+ 1
0
n

Neutron reagujący jest dostarczany przez pokazaną powyżej reakcję fuzji DT, która ma największą wydajność energetyczną. Reakcja z 6 Li jest egzotermiczna , zapewniając niewielki zysk energetyczny dla reaktora. Reakcja z 7 Li jest endotermiczna , ale nie zużywa neutronu. Reakcje mnożenia neutronów są wymagane do zastąpienia neutronów utraconych w wyniku absorpcji przez inne pierwiastki. Wiodącymi kandydatami na materiały do ​​namnażania neutronów są beryl i ołów , ale reakcja 7 Li pomaga utrzymać wysoką populację neutronów. Naturalny lit to głównie 7 Li, który ma niski przekrój produkcji trytu w porównaniu z 6 Li, więc większość projektów reaktorów wykorzystuje płaszcze hodowlane ze wzbogaconym 6 Li.

Wady powszechnie przypisywane mocy syntezy jądrowej DT obejmują:

  • Dostarczanie neutronów powoduje aktywację neutronową materiałów reaktora. :242
  • 80% powstałej energii jest odprowadzane przez neutrony, co ogranicza stosowanie bezpośredniej konwersji energii.
  • Wymaga trytu radioizotopowego . Tryt może wyciekać z reaktorów. Niektóre szacunki sugerują, że oznaczałoby to znaczne uwolnienie radioaktywności do środowiska.

Strumień neutronów oczekuje w przemysłowym reaktorze syntezy DT jest około 100 razy na reaktorach jądrowych rozszczepienia, stwarzające problemy dla materiału konstrukcji . Po serii testów DT w JET , naczynie próżniowe było wystarczająco radioaktywne, że wymagało zdalnej obsługi przez rok po testach.

W warunkach produkcyjnych neutrony reagują z litem w kocu hodowlanym złożonym z kamyków litowo-ceramicznych lub ciekłego litu, dając tryt. Energia neutronów trafia do litu, który jest następnie przekazywany do produkcji energii elektrycznej. Płaszcz litowy chroni zewnętrzne części reaktora przed strumieniem neutronów. Nowsze projekty, w szczególności zaawansowany tokamak, wykorzystują lit w rdzeniu reaktora jako element konstrukcyjny. Plazma oddziałuje bezpośrednio z litem, zapobiegając problemowi zwanemu „recyklingiem”. Zaleta tego projektu została zademonstrowana w eksperymencie z tokamakiem litowym .

Deuter

Przekrój poprzeczny syntezy deuteru (w metrach kwadratowych) przy różnych energiach zderzeń jonów.

Fuzja dwóch jąder deuteru jest drugą najłatwiejszą reakcją fuzji. Reakcja ma dwie gałęzie, które występują z prawie równym prawdopodobieństwem:

D + D → T + 1 godz
D + D 3 He + n

Ta reakcja jest również powszechna w badaniach. Optymalna energia do zainicjowania tej reakcji wynosi 15 keV, tylko nieznacznie wyższa niż w przypadku reakcji DT. Pierwsza gałąź wytwarza tryt, dzięki czemu reaktor DD nie jest pozbawiony trytu, mimo że nie wymaga wkładu trytu ani litu. O ile trytony nie zostaną szybko usunięte, większość wytworzonego trytu jest spalana w reaktorze, co ogranicza manipulację trytem, ​​z wadą wytwarzania większej ilości neutronów o wyższej energii. Neutron z drugiej gałęzi reakcji DD ma energię zaledwie 2,45 MeV (0,393 pJ), natomiast neutron z reakcji DT ma energię 14,1 MeV (2,26 pJ), co skutkuje większą produkcją izotopów i uszkodzeniem materiału. Kiedy trytony są usuwane szybko, pozwalając jednocześnie na reakcję 3 He, cykl paliwowy nazywa się „syntezą z tłumieniem trytu”. Usunięty tryt rozpada się do 3 He z okresem półtrwania 12,5 roku. Poprzez recykling 3 He próchnicy do reaktora, reaktor syntezy jądrowej nie wymaga materiałów odpornych na szybkie neutrony.

Zakładając całkowite wypalenie trytu, zmniejszenie udziału energii syntezy jądrowej przenoszonej przez neutrony wyniesie tylko około 18%, tak więc podstawową zaletą cyklu paliwowego DD jest to, że nie jest wymagana hodowla trytu. Inne zalety to niezależność od zasobów litu i nieco bardziej miękkie widmo neutronów. Wadą DD w porównaniu do DT jest to, że czas utrzymywania energii (przy danym ciśnieniu) musi być 30 razy dłuższy, a wytwarzana moc (przy danym ciśnieniu i objętości) jest 68 razy mniejsza.

Zakładając, że całkowite usunięcie trytu i 3 recyklingu He tylko 6% energii fuzyjnego odbywa neutronami. Fuzja DD z tłumieniem trytu wymaga ograniczenia energii, które jest 10 razy dłuższe w porównaniu do DT i dwukrotnie wyższej temperatury plazmy.

Deuter, hel-3

Podejście drugiej generacji do kontrolowanej mocy syntezy jądrowej obejmuje połączenie helu-3 ( 3 He) i deuteru ( 2 H):

D + 3 He 4 He + 1 godz

Ta reakcja wytwarza 4 He i proton o wysokiej energii. Podobnie jak w przypadku aneutronowego cyklu paliwowego syntezy jądrowej p- 11 B , większość energii reakcji jest uwalniana w postaci naładowanych cząstek, zmniejszając aktywację obudowy reaktora i potencjalnie umożliwiając bardziej wydajne zbieranie energii (za pośrednictwem dowolnej z kilku ścieżek). W praktyce reakcje uboczne DD wytwarzają znaczną ilość neutronów, pozostawiając p- 11 B jako korzystnego cyklu dla fuzja aneutronowa.

Proton, bor-11

Fuzja aneutroniczna znacznie zmniejsza zarówno problemy materiałoznawstwa, jak i kwestie związane z nieproliferacją . Teoretycznie najbardziej reaktywnym paliwem aneutronicznym jest 3 He. Jednak uzyskanie rozsądnych ilości 3 He implikuje wydobycie na dużą skalę pozaziemskie na Księżycu lub w atmosferze Urana lub Saturna. Dlatego najbardziej obiecującym paliwem kandydata do takiej fuzji jest fuzja łatwo dostępnego protu (tj. protonu ) i boru . Ich fuzja nie uwalnia neutronów, ale wytwarza energetycznie naładowane cząstki alfa (helu), których energię można bezpośrednio przekształcić w energię elektryczną:

p + 11 B → 3  4 He

Reakcje uboczne prawdopodobnie dadzą neutrony, które przenoszą tylko około 0,1% mocy, :177-182, co oznacza, że rozpraszanie neutronów nie jest wykorzystywane do przenoszenia energii, a aktywacja materiału jest zmniejszona kilka tysięcy razy. Optymalna temperatura dla tej reakcji 123 keV jest prawie dziesięciokrotnie wyższa niż dla reakcji z czystym wodorem, a ograniczenie energii musi być 500 razy lepsze niż wymagane dla reakcji DT. Ponadto gęstość mocy jest 2500 razy mniejsza niż w przypadku DT, chociaż na jednostkę masy paliwa jest to nadal znacznie wyższa niż w przypadku reaktorów rozszczepialnych.

Ponieważ właściwości wiązania tokamaka i fuzji granulek laserowych są marginalne, większość propozycji fuzji aneutronicznej opiera się na radykalnie różnych koncepcjach ograniczania, takich jak Polywell i Dense Plasma Focus . W 2013 roku zespół badawczy kierowany przez Christine Labaune z École Polytechnique odnotował nowy rekord szybkości syntezy proton-bor, z szacowanymi 80 milionami reakcji fuzji podczas 1,5 nanosekundowego pożaru lasera, 100 razy więcej niż poprzednie eksperymenty.

Wybór materiału

Stabilność materiałów konstrukcyjnych jest kwestią krytyczną. Materiały, które mogą przetrwać wysokie temperatury i bombardowanie neutronami doświadczane w reaktorze termojądrowym, są uważane za klucz do sukcesu. Głównymi zagadnieniami są warunki generowane przez plazmę, degradacja neutronowa powierzchni ścian oraz związane z tym zagadnienie warunków powierzchni ścian plazmy. Zmniejszenie przepuszczalności wodoru jest postrzegane jako kluczowe dla recyklingu wodoru i kontroli zapasów trytu. Materiały o najniższej rozpuszczalności i dyfuzyjności wodoru w masie zapewniają optymalnych kandydatów na stabilne bariery. Zbadano kilka czystych metali, w tym wolfram i beryl oraz związki, takie jak węgliki, gęste tlenki i azotki. Badania wykazały, że techniki powlekania służące do przygotowania dobrze przylegających i doskonałych barier mają równoważne znaczenie. Najbardziej atrakcyjne techniki to te, w których warstwa ad jest tworzona przez samo utlenianie. Metody alternatywne wykorzystują określone środowiska gazowe o silnych polach magnetycznych i elektrycznych. Dodatkowym wyzwaniem jest ocena działania bariery. Przepuszczalność gazów w klasycznych membranach powlekanych jest nadal najbardziej niezawodną metodą określania skuteczności bariery przenikania wodoru (HPB). W 2021 r., w odpowiedzi na rosnącą liczbę projektów reaktorów termojądrowych na 2040 r., brytyjska Agencja Energii Atomowej opublikowała mapę drogową Wielkiej Brytanii w zakresie materiałów termojądrowych 2021-2040 , skupiając się na pięciu priorytetowych obszarach, ze szczególnym uwzględnieniem reaktorów z rodziny tokamaków:

  • Nowatorskie materiały minimalizujące ilość aktywacji w strukturze elektrowni termojądrowej;
  • Związki, które można wykorzystać w elektrowni do optymalizacji hodowli paliwa trytowego w celu podtrzymania procesu syntezy;
  • Magnesy i izolatory odporne na napromieniowanie w wyniku reakcji fuzji – zwłaszcza w warunkach kriogenicznych;
  • Materiały konstrukcyjne zdolne do zachowania wytrzymałości podczas bombardowania neutronami w wysokich temperaturach roboczych (ponad 550 stopni C);
  • Zapewnienie inżynieryjne dla materiałów termojądrowych — dostarczanie danych z próbek napromieniowanych i prognoz modelowanych, tak aby projektanci instalacji, operatorzy i organy regulacyjne mieli pewność, że materiały nadają się do wykorzystania w przyszłych elektrowniach komercyjnych.

Rozważania dotyczące przechowywania

Nawet na mniejszą skalę produkcyjną, urządzenie zabezpieczające jest wysadzane materią i energią. Projekty do przechowywania plazmy muszą uwzględniać:

W zależności od podejścia, efekty te mogą być większe lub mniejsze niż w przypadku reaktorów rozszczepialnych. Według szacunków promieniowanie jest 100 razy większe niż w typowym reaktorze ciśnieniowym . W zależności od podejścia, inne czynniki, takie jak przewodnictwo elektryczne , przenikalność magnetyczna i wytrzymałość mechaniczna mają znaczenie. Materiały nie mogą też stać się długożyciowymi odpadami promieniotwórczymi.

Warunki powierzchni ścian plazmowych

W przypadku długotrwałego użytkowania oczekuje się, że każdy atom w ścianie zostanie uderzony przez neutron i przemieszczony około 100 razy przed wymianą materiału. Neutrony o wysokiej energii wytwarzają wodór i hel w reakcjach jądrowych, które mają tendencję do tworzenia bąbelków na granicach ziaren i powodują pęcznienie, powstawanie pęcherzy lub kruchość.

Dobór materiałów

Materiały o niskim Z , takie jak grafit lub beryl, są generalnie preferowane od materiałów o wysokim Z, zwykle wolfram z molibdenem jako drugim wyborem. Metale ciekłe (lit, gal , cyna ) proponowano np. przez wtrysk strumieniem o grubości 1–5 mm płynącym z prędkością 10 m/s na podłoża stałe.

Grafit charakteryzuje się dużą szybkością erozji z powodu napylania fizycznego i chemicznego, sięgającą wielu metrów rocznie, co wymaga ponownego osadzania napylonego materiału. Miejsce redepozycji generalnie nie pasuje dokładnie do miejsca napylania, co pozwala na erozję sieci, która może być zaporowa. Jeszcze większym problemem jest to, że tryt jest redeponowany z redeponowanym grafitem. Zapasy trytu w ścianie i kurzu mogą gromadzić się do wielu kilogramów, co stanowi marnotrawstwo zasobów i zagrożenie radiologiczne w razie wypadku. Grafit znalazł faworyta jako materiał do krótkotrwałych eksperymentów, ale wydaje się mało prawdopodobne, aby stał się podstawowym materiałem do licowania plazmą (PFM) w komercyjnym reaktorze.

Szybkość rozpylania wolframu jest o rzędy wielkości mniejsza niż w przypadku węgla, a tryt jest znacznie mniej wbudowywany w ponownie osadzony wolfram. Jednak zanieczyszczenia plazmy wolframowej są znacznie bardziej szkodliwe niż zanieczyszczenia węglowe, a samorozpylanie może być wysokie, co wymaga, aby plazma w kontakcie z wolframem nie była zbyt gorąca (kilkadziesiąt eV zamiast setek eV). Wolfram ma również problemy z prądami wirowymi i topnieniem w nietypowych zdarzeniach, a także pewne problemy radiologiczne.

Bezpieczeństwo i środowisko

Potencjał wypadkowy

Reaktory termojądrowe nie są narażone na katastrofalne stopienie. Wymaga precyzyjnych i kontrolowanych parametrów temperatury, ciśnienia i pola magnetycznego do wytworzenia energii netto, a każde uszkodzenie lub utrata wymaganej kontroli szybko wygasza reakcję. Reaktory termojądrowe w każdej chwili działają z paliwem o wartości sekund, a nawet mikrosekund. Bez aktywnego tankowania reakcje natychmiast wygasają.

Te same ograniczenia zapobiegają niekontrolowanym reakcjom. Chociaż przewiduje się, że plazmowy ma objętość wynoszącą 1000 m 3 (35.000 stóp sześciennych) lub więcej, osocze zawiera zazwyczaj tylko kilka gramów paliwa. Dla porównania, reaktor rozszczepienia jest zwykle ładowany wystarczającą ilością paliwa przez miesiące lub lata i nie jest potrzebne żadne dodatkowe paliwo, aby kontynuować reakcję. To duże zapasy paliwa stwarzają możliwość stopienia.

W osłonie magnetycznej w cewkach, które są mechanicznie utrzymywane w miejscu przez konstrukcję reaktora, powstają silne pola. Awaria tej struktury może uwolnić to napięcie i pozwolić magnesowi „eksplodować” na zewnątrz. Powaga tego zdarzenia byłaby podobna do innych wypadków przemysłowych lub gaszenia/wybuchu maszyny MRI i może być skutecznie powstrzymana w budynku zabezpieczającym podobnym do tych stosowanych w reaktorach rozszczepienia.

W sterowanej laserem obudowie bezwładnościowej większy rozmiar komory reakcyjnej zmniejsza naprężenia materiałów. Chociaż możliwa jest awaria komory reakcyjnej, zatrzymanie dostarczania paliwa zapobiega katastrofalnej awarii.

Większość projektów reaktorów opiera się na ciekłym wodorze jako chłodziwie i przetwarzaniu zabłąkanych neutronów w tryt , który jest podawany z powrotem do reaktora jako paliwo. Wodór jest łatwopalny i możliwe, że wodór przechowywany na miejscu może się zapalić. W takim przypadku frakcja trytu wodoru dostałaby się do atmosfery, stwarzając zagrożenie radiacyjne. Obliczenia sugerują, że w typowej elektrowni znajdowałoby się około 1 kilograma (2,2 funta) trytu i innych gazów radioaktywnych. Kwota jest na tyle mała, że ​​do czasu, gdy dotrą do ogrodzenia stacji, rozcieńczy się do prawnie dopuszczalnych limitów .

Szacuje się, że prawdopodobieństwo małych awarii przemysłowych, w tym lokalnego uwolnienia radioaktywności i obrażeń personelu, jest niewielkie w porównaniu z rozszczepieniem. Obejmowałyby one przypadkowe uwolnienia litu lub trytu lub niewłaściwe obchodzenie się z radioaktywnymi elementami reaktora.

Chłodzenie magnesu

Magnes oziębiania jest nieprawidłowe zakończenie działania magnesu, który występuje, gdy część cewki nadprzewodzącej wyjście stanu nadprzewodzącego (staje się normalne). Może się tak zdarzyć, ponieważ pole wewnątrz magnesu jest zbyt duże, szybkość zmian pola jest zbyt duża (powodując prądy wirowe i wynikowe nagrzewanie miedzianej matrycy nośnej) lub połączenie tych dwóch.

Rzadziej defekt magnesu może spowodować wygaszenie. Kiedy tak się dzieje, to konkretne miejsce podlega szybkiemu nagrzewaniu Joule'a od prądu, co podnosi temperaturę otaczających obszarów. Spycha to również te regiony do stanu normalnego, co prowadzi do większego nagrzewania w reakcji łańcuchowej. Cały magnes szybko staje się normalny w ciągu kilku sekund, w zależności od rozmiaru cewki nadprzewodzącej. Towarzyszy temu głośny huk, gdy energia pola magnetycznego jest zamieniana na ciepło, a ciecz kriogeniczna odparowuje. Nagły spadek prądu może spowodować skoki napięcia indukcyjnego w kilowoltach i wyładowania łukowe. Trwałe uszkodzenie magnesu jest rzadkie, ale elementy mogą zostać uszkodzone przez miejscowe nagrzewanie, wysokie napięcia lub duże siły mechaniczne.

W praktyce magnesy zwykle mają urządzenia zabezpieczające, które zatrzymują lub ograniczają prąd po wykryciu wygaszenia. Jeśli duży magnes zostanie zahartowany, obojętna para utworzona przez parującą ciecz kriogeniczną może stanowić dla operatorów znaczne zagrożenie uduszeniem , wypierając powietrze do oddychania.

Znaczna część magnesy nadprzewodzące w CERN jest Wielki Zderzacz Hadronów niespodziewanie przerwano podczas operacji start-up w 2008 roku, niszcząc kilka magnesów. Aby zapobiec nawrotom, nadprzewodzące magnesy LHC są wyposażone w szybko narastające grzałki, które są aktywowane po wykryciu zdarzenia wygaszania. Magnesy zginające dipol są połączone szeregowo. Każdy obwód zasilania zawiera 154 pojedyncze magnesy, a w przypadku wystąpienia zdarzenia wygaszenia cała zmagazynowana energia tych magnesów musi zostać natychmiast zrzucona. Ta energia jest przenoszona na masywne bloki metalu, które w ciągu kilku sekund nagrzewają się do kilkuset stopni Celsjusza – z powodu nagrzewania oporowego. Tłumienie magnesu to „dość rutynowe zdarzenie” podczas działania akceleratora cząstek.

Ścieki

Naturalnym produktem reakcji fuzji jest niewielka ilość helu , który jest nieszkodliwy dla życia. Niebezpieczny tryt jest trudny do całkowitego zatrzymania. Podczas normalnej pracy tryt jest stale uwalniany.

Chociaż tryt jest lotny i aktywny biologicznie, zagrożenie dla zdrowia stwarzane przez uwolnienie jest znacznie niższe niż w przypadku większości radioaktywnych zanieczyszczeń, ze względu na krótki okres półtrwania trytu (12,32 roku) i bardzo niską energię rozpadu (~14,95 keV) oraz dlatego, że nie ulega bioakumulacji (opuszcza się z organizmu w postaci wody, z biologicznym okresem półtrwania od 7 do 14 dni). ITER zawiera urządzenia do całkowitego przechowywania trytu.

Odpady radioaktywne

Reaktory termojądrowe wytwarzają znacznie mniej materiałów radioaktywnych niż reaktory rozszczepienia. Co więcej, materiał, który tworzy, jest mniej szkodliwy biologicznie, a radioaktywność rozprasza się w czasie, który jest zgodny z istniejącymi możliwościami inżynieryjnymi bezpiecznego długoterminowego przechowywania odpadów. Mówiąc konkretnie, z wyjątkiem przypadku fuzji aneutronowej , strumień neutronów powoduje, że materiały konstrukcyjne stają się radioaktywne. Ilość materiału radioaktywnego w momencie wyłączenia może być porównywalna do ilości w reaktorze rozszczepienia, z istotnymi różnicami. Okres półtrwania radioizotopów w fuzji jest zwykle krótszy niż w przypadku rozszczepienia, tak więc każde zagrożenie zmniejsza się szybciej. Podczas gdy reaktory rozszczepienia wytwarzają odpady, które pozostają radioaktywne przez tysiące lat, materiał radioaktywny w reaktorze syntezy jądrowej (inny niż tryt) byłby samym rdzeniem reaktora, a większość z nich byłaby radioaktywna przez około 50 lat, z innymi odpadami niskoaktywnymi radioaktywność przez kolejne 100 lat. Chociaż odpady te są znacznie bardziej radioaktywne w ciągu tych 50 lat niż odpady z rozszczepienia, ich krótki okres półtrwania eliminuje wyzwanie długoterminowego przechowywania. Przez 500 lat materiał miałby taką samą radiotoksyczność jak popiół węglowy . Niemniej jednak, klasyfikacja jako odpady średnioaktywne, a nie niskoaktywne, może skomplikować dyskusje na temat bezpieczeństwa.

Wybór materiałów jest mniej ograniczony niż w przypadku konwencjonalnego rozszczepienia, gdzie wiele materiałów jest wymaganych do ich określonych przekrojów neutronowych . Reaktory termojądrowe można zaprojektować przy użyciu materiałów o „niskiej aktywacji”, które nie łatwo stają się radioaktywne. Na przykład wanad staje się znacznie mniej radioaktywny niż stal nierdzewna . Materiały z włókna węglowego charakteryzują się również niską aktywacją, są mocne i lekkie oraz są obiecujące w przypadku reaktorów laserowo-inercyjnych, w których nie jest wymagane pole magnetyczne.

Rozprzestrzenianie broni jądrowej

Nakładanie się fuzji z bronią jądrową jest ograniczone. Elektrownia termojądrowa mogłaby wyprodukować ogromną ilość trytu ; Tryt jest używany w wyzwalaczu bomb wodorowych oraz w nowoczesnych broniach do rozszczepiania wzmocnionego , ale można go wytwarzać na inne sposoby. Energetyczne neutrony z reaktora termojądrowego mogłyby zostać wykorzystane do wytworzenia plutonu lub uranu przeznaczonego do użycia w bombie atomowej (na przykład poprzez transmutację238
U
do 239Pu lub232
Cz
do233
U
).

W badaniu przeprowadzonym w 2011 roku oceniono trzy scenariusze:

  • Stacja termojądrowa na małą skalę: ze względu na znacznie wyższe zużycie energii, rozpraszanie ciepła i bardziej rozpoznawalną konstrukcję w porównaniu z wirówkami do wzbogacania gazów , ten wybór byłby znacznie łatwiejszy do wykrycia, a zatem nieprawdopodobny.
  • Obiekt handlowy: Potencjał produkcyjny jest znaczny. Jednak w cywilnym systemie syntezy jądrowej w ogóle nie muszą być obecne żadne płodne lub rozszczepialne substancje niezbędne do produkcji materiałów nadających się do użycia broni. Jeśli nie są osłonięte, wykrywanie tych materiałów można przeprowadzić za pomocą ich charakterystycznego promieniowania gamma . Podstawowe przeprojektowanie można wykryć poprzez regularną weryfikację informacji projektowych. W (technicznie bardziej wykonalnym) przypadku modułów litych koców rozpłodowych konieczne byłoby sprawdzanie przychodzących komponentów pod kątem obecności materiału płodnego, w przeciwnym razie można by co roku produkować pluton dla kilku rodzajów broni.
  • Priorytetyzacja materiałów przeznaczonych do broni, niezależnie od tajności: Najszybszy sposób na wyprodukowanie materiałów nadających się do użycia broni zaobserwowano w modyfikacji cywilnej elektrowni syntezy jądrowej. Do użytku cywilnego nie są wymagane żadne materiały zgodne z bronią. Nawet bez konieczności tajnych działań taka modyfikacja zajęłaby około 2 miesięcy, aby rozpocząć produkcję i przynajmniej dodatkowy tydzień, aby wygenerować znaczną kwotę. Uznano, że jest to wystarczający czas na wykrycie użycia wojskowego i zareagowanie środkami dyplomatycznymi lub wojskowymi. Aby zatrzymać produkcję wystarczyłoby militarne zniszczenie części obiektu z pominięciem reaktora.

W innym badaniu stwierdzono, że „… duże reaktory termojądrowe – nawet jeśli nie są zaprojektowane do hodowli materiałów rozszczepialnych – mogą z łatwością wytwarzać kilkaset kg Pu rocznie przy wysokiej jakości broni i bardzo niskich wymaganiach dotyczących materiałów źródłowych”. Podkreślono, że wdrożenie cech samoistnej odporności na proliferację może być możliwe tylko we wczesnej fazie badań i rozwoju. Teoretyczne i obliczeniowe narzędzia potrzebne do projektowania bomby wodorowej są ściśle powiązane z narzędziami potrzebnymi do inercyjnej syntezy jądrowej , ale mają bardzo niewiele wspólnego z syntezą magnetyczną.

Zapasy paliwa

Moc Fusion powszechnie proponuje zastosowanie deuteru jako paliwa i wiele obecne projekty również użyć litu . Zakładając, że produkcja energii syntezy jądrowej równa się globalnej mocy wyjściowej w 1995 r. wynosząca około 100 E J/rok (= 1 × 10 20 J/rok) i że nie wzrośnie ona w przyszłości, co jest mało prawdopodobne, wówczas znane obecne rezerwy litu będą trwać 3000 lat. Lit z wody morskiej przetrwałby jednak 60 milionów lat, a bardziej skomplikowany proces syntezy jądrowej wykorzystujący wyłącznie deuter miałby paliwo przez 150 miliardów lat. Ujmując to w kontekście, 150 miliardów lat to blisko 30-krotność pozostałej długości życia Słońca i ponad 10-krotność szacowanego wieku Wszechświata.

Ekonomia

W latach 90. UE wydała prawie 10 miliardów euro . ITER stanowi inwestycję o wartości ponad dwudziestu miliardów dolarów, a być może dziesiątek miliardów więcej, wliczając w to wkłady rzeczowe . W ramach szóstego programu ramowego Unii Europejskiej badania nad syntezą jądrową otrzymały 750 mln euro (oprócz finansowania ITER), w porównaniu z 810 mln euro na badania nad zrównoważoną energią, co znacznie wyprzedza badania nad energią termojądrową nad jakąkolwiek konkurencyjną technologią. Departament Energii Stanów Zjednoczonych przeznaczył $ US367M- $ US671M co roku od 2010 roku, osiągając w 2020 roku, z planami zmniejszenia inwestycji do $ US425M w swoim wniosku FY2021 budżetu. Około jedna czwarta tego budżetu przeznaczona jest na wsparcie ITER.

Wielkość inwestycji i wyniki w harmonogramie oznaczają, że badania nad syntezą jądrową były prawie wyłącznie finansowane ze środków publicznych. Jednak firmy typu start-up przyciągnęły ponad 2,5 miliarda dolarów od około 2000 do 2020 roku, przy czym większość środków pochodziła od 2015 roku od inwestorów, w tym Jeffa Bezosa , Petera Thiela i Billa Gatesa , a także inwestorów instytucjonalnych, w tym Legal & General i energetyki. takie firmy jak Equinor , Eni , Chevron oraz chińska grupa ENN . We wrześniu 2019 r. Bloomberg odkrył, że zaangażowanych było ponad dwadzieścia prywatnych firm.

Scenariusze opracowane w 2000 roku i na początku 2010 roku omawiały wpływ komercjalizacji energii termojądrowej na przyszłość cywilizacji ludzkiej. Opierając się na rozszczepieniu jądrowym jako przewodniku, ITER, a później DEMO, wprowadziły do ​​sieci pierwsze komercyjne reaktory około 2050 r. i szybką ekspansję po połowie stulecia. Niektóre scenariusze kładły nacisk na "obiekty naukowe w dziedzinie jądrowej syntezy jądrowej" jako krok poza ITER. Jednak przeszkody ekonomiczne dla energii termojądrowej opartej na tokamaku pozostają ogromne, co wymaga inwestycji w finansowanie prototypowych reaktorów tokamakowych i rozwój nowych łańcuchów dostaw. Projekty tokamaków wydają się być pracochłonne, podczas gdy ryzyko komercjalizacji alternatyw, takich jak inercyjna energia termojądrowa, jest wysokie ze względu na brak środków rządowych.

Scenariusze od 2010 r. odnotowują postępy w dziedzinie informatyki i materiałoznawstwa umożliwiające wieloetapowe krajowe lub dzielone kosztami „Pilotażowe elektrownie syntezy jądrowej” (FPP) wzdłuż różnych ścieżek technologicznych, takich jak brytyjski tokamak sferyczny do produkcji energii , w ramach czasowych 2030–2040. W szczególności w czerwcu 2021 r. General Fusion ogłosiło, że zaakceptuje ofertę rządu Wielkiej Brytanii dotyczącą zorganizowania pierwszej na świecie znaczącej elektrowni demonstracyjnej syntezy jądrowej w ramach partnerstwa publiczno-prywatnego w Culham Center for Fusion Energy . Elektrownia będzie budowana w latach 2022-2025 i ma być pionierem dla komercyjnych zakładów pilotażowych pod koniec 2025 roku. Elektrownia będzie miała 70% pełnej skali i oczekuje się, że osiągnie stabilną plazmę 150 milionów stopni. W Stanach Zjednoczonych wydaje się prawdopodobne, że partnerstwo publiczno-prywatne z podziałem kosztów. Technologia reaktora kompaktowego oparta na takich instalacjach demonstracyjnych może umożliwić komercjalizację poprzez podejście flotowe od lat 30. XX wieku, jeśli uda się zlokalizować wczesne rynki.

Powszechne przyjęcie niejądrowej energii odnawialnej zmieniło krajobraz energetyczny. Przewiduje się, że do 2050 r. takie odnawialne źródła energii będą dostarczać 74% energii na świecie. Stały spadek cen energii odnawialnej stanowi wyzwanie dla gospodarczej konkurencyjności energii termojądrowej.

Uśredniony koszt energii (LCOE) dla różnych źródeł energii, w tym energii wiatrowej, słonecznej i jądrowej.

Niektórzy ekonomiści sugerują, że energia termojądrowa raczej nie dorówna innym kosztom energii odnawialnej . Oczekuje się , że zakłady termojądrowe będą musiały zmierzyć się z dużymi kosztami rozruchu i kapitału . Ponadto eksploatacja i konserwacja mogą być kosztowne. Chociaż koszty CFETR nie są dobrze znane, przewiduje się, że koncepcja syntezy jądrowej UE DEMO będzie charakteryzować się uśrednionym kosztem energii (LCOE) na poziomie 121 USD/MWh.

Co więcej, ekonomiści sugerują, że koszt energii termojądrowej wzrasta o 16,5/MWh na każdy 1 miliard dolarów wzrostu ceny technologii termojądrowej. Ten wysoki uśredniony koszt energii jest w dużej mierze wynikiem kosztów budowy.

W przeciwieństwie do tego, odnawialne levelized szacunków koszt energii są znacznie niższe. Przykładowo uśredniony koszt energii słonecznej w 2019 r. oszacowano na 40-46 USD/MWh, wiatr na lądzie na 29-56 USD/MWh, a wiatr na morzu na około 92 USD/MWh.

Jednak energia termojądrowa może nadal odgrywać rolę w wypełnianiu luk energetycznych pozostawionych przez odnawialne źródła energii. Zatem energia termojądrowa może działać w parze z innymi odnawialnymi źródłami energii, zamiast stać się pierwotnym źródłem energii. W niektórych zastosowaniach energia termojądrowa może zapewnić podstawowe obciążenie, zwłaszcza jeśli obejmuje zintegrowane magazynowanie ciepła i kogenerację oraz biorąc pod uwagę potencjał modernizacji elektrowni węglowych.

Rozporządzenie

Ponieważ instalacje pilotażowe termojądrowe znajdują się w zasięgu ręki, należy zająć się kwestiami prawnymi i regulacyjnymi. We wrześniu 2020 r. Narodowa Akademia Nauk Stanów Zjednoczonych skonsultowała się z prywatnymi firmami fuzyjnymi w celu rozważenia krajowej instalacji pilotażowej. W następnym miesiącu Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Komisja Regulacji Jądrowych (NRC) i Stowarzyszenie Przemysłu Fuzyjnego współorganizowały publiczne forum, aby rozpocząć ten proces. W listopadzie 2020 r. Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej (MAEA) rozpoczęła współpracę z różnymi krajami w celu stworzenia standardów bezpieczeństwa, takich jak przepisy dotyczące dawek i postępowanie z odpadami radioaktywnymi. W styczniu i marcu 2021 r. NRC zorganizowała dwa publiczne spotkania na temat ram regulacyjnych. Podejście publiczno-prywatne do podziału kosztów zostało zatwierdzone w ustawie o skonsolidowanych środkach finansowych HR133 z 27 grudnia 2021 r., która upoważniła do 325 milionów dolarów w ciągu pięciu lat na program partnerstwa w celu budowy obiektów demonstracyjnych syntezy jądrowej, ze 100% dopasowaniem z przemysłu prywatnego. Następnie brytyjska Rada ds. Horyzontów Regulacyjnych opublikowała raport wzywający do ustanowienia ram regulacyjnych dotyczących syntezy jądrowej do początku 2022 r. w celu pozycjonowania Wielkiej Brytanii jako światowego lidera w komercjalizacji energii termojądrowej. Wezwanie to zostało spełnione przez wydawnictwa brytyjskiego rządu w październiku 2021 roku zarówno jej Zielona Księga Fusion i jej strategia Fusion , regulować i komercjalizacji Fusion, odpowiednio.

Geopolityka

Biorąc pod uwagę potencjał syntezy jądrowej w przekształcaniu światowego przemysłu energetycznego i łagodzeniu zmian klimatycznych , nauka o syntezie jest tradycyjnie postrzegana jako integralna część dyplomacji naukowej na rzecz budowania pokoju . Jednak rozwój technologiczny i zaangażowanie sektora prywatnego wzbudziły obawy dotyczące własności intelektualnej, administracji regulacyjnej, światowego przywództwa; sprawiedliwość i potencjalna broń. Podważają one rolę ITER w budowaniu pokoju i doprowadziły do ​​apeli o powołanie komisji globalnej.

Wydarzenia od końca 2020 r. doprowadziły do ​​rozmów o „nowym wyścigu kosmicznym” z wieloma uczestnikami, w którym USA przeciwstawiają się Chinom i brytyjskiemu STEP FPP. 24 września Izba Reprezentantów Stanów Zjednoczonych zatwierdziła program badań i komercjalizacji. Sekcja Fusion Energy Research wprowadziła oparty na kamieniach milowych program partnerstwa publiczno-prywatnego oparty na podziale kosztów, wzorowany na programie COTS NASA , który zapoczątkował komercyjny przemysł kosmiczny . W lutym 2021 r. National Academies opublikowało Bringing Fusion to the US Grid , zalecając rynkową fabrykę z podziałem kosztów na lata 2035–2040, a następnie uruchomiono Congressional Bipartisan Fusion Caucus.

W grudniu 2020 r. niezależny panel ekspertów dokonał przeglądu projektu i prac badawczo-rozwojowych EUROfusion nad DEMO, a EUROfusion potwierdził, że kontynuuje realizację swojego planu działania na rzecz energii syntezy jądrowej, rozpoczynając projekt koncepcyjny projektu DEMO we współpracy z europejską społecznością termojądrową, sugerując wspierana maszyna weszła do wyścigu.

Zalety

Energia termojądrowa może zapewnić więcej energii przy danej masie paliwa niż jakiekolwiek aktualnie używane źródło energii zużywające paliwo. Paliwo (głównie deuter ) występuje obficie w oceanie: około 1 na 6500 atomów wodoru w wodzie morskiej to deuter. Chociaż jest to tylko około 0,015%, woda morska jest obfita i łatwo dostępna, co oznacza, że ​​fuzja może zaspokoić światowe potrzeby energetyczne przez miliony lat.

Oczekuje się, że elektrownie termojądrowe pierwszej generacji będą wykorzystywać cykl paliwowy deuter-tryt. Będzie to wymagało użycia litu do hodowli trytu. Nie wiadomo, jak długo światowe dostawy litu wystarczą do zaspokojenia tego zapotrzebowania, podobnie jak w przypadku przemysłu akumulatorowego i metalurgicznego. Oczekuje się, że rośliny drugiej generacji przejdą do bardziej groźnej reakcji deuter-deuter. Interesująca jest również reakcja deuteru z helem-3, ale lekki izotop helu praktycznie nie istnieje na Ziemi. Uważa się, że występuje w użytecznych ilościach w regolicie księżycowym i występuje obficie w atmosferach gazowych olbrzymów.

Energia termojądrowa mogłaby być wykorzystywana do napędu tzw. „głębokiego kosmosu” w układzie słonecznym oraz do eksploracji kosmosu międzygwiezdnego, gdzie energia słoneczna nie jest dostępna, w tym poprzez hybrydowe napędy syntezy antymaterii .

Historia

Historia energii termojądrowej rozpoczęła się na początku XX wieku jako badanie, w jaki sposób gwiazdy zasilały się i rozszerzyły, aby uwzględnić szerokie badanie natury materii i energii, podczas gdy potencjalne zastosowania rozszerzono o działania wojenne, napęd rakietowy i produkcję energii. Niestety, przewiduje się, że wytwarzanie energii elektrycznej z syntezy jądrowej nastąpi za 30 lat w ciągu ostatnich 50 lat i nadal może być tak odległe.

Historia jest zawiłą mieszanką badań fizyki jądrowej i równoległej eksploracji wyzwań inżynieryjnych, począwszy od identyfikacji odpowiednich materiałów i paliw, a skończywszy na doskonaleniu technik ogrzewania i utrzymywania.

Pierwszym urządzeniem stworzonym przez człowieka, które uzyskało zapłon, była detonacja tego urządzenia fuzyjnego o kryptonimie Ivy Mike .
Wczesne zdjęcie plazmy wewnątrz maszyny dociskowej (Imperial College 1950/1951)

Od samego początku poszukiwanie energii termojądrowej przebiegało wieloma trajektoriami. Trajektorie, takie jak projekty zaciskania, zniknęły, gdy napotkali przeszkody, które jeszcze nie zostały pokonane. Wśród ocalałych znajdują się metody magnetycznego ograniczenia, takie jak tokamak i stellarator, a także metody ICF, takie jak laserowe i elektrostatyczne uwięzienie.

Pierwszym udanym urządzeniem do syntezy jądrowej stworzonym przez człowieka była broń o zwiększonym rozszczepieniu, przetestowana w 1951 r. w teście Greenhouse Item . Pierwszą prawdziwą bronią fuzyjną był Ivy Mike z 1952 roku , a pierwszym praktycznym przykładem był Castle Bravo z 1954 roku .

Wczesne projekty

Stellerator

Stellerator był pierwszym kandydatem, poprzedzającym lepiej znanego tokamaka. Jego pionierem był Lyman Spitzer . Chociaż fuzja nie nastąpiła od razu, wysiłek doprowadził do utworzenia Laboratorium Fizyki Plazmy w Princeton .

Pierwszy eksperyment mający na celu osiągnięcie kontrolowanej fuzji termojądrowej został przeprowadzony przy użyciu Scylli I w LANL w 1958 roku. Scylla I była maszyną -pinch z cylindrem pełnym deuteru.

Tokamak

Koncepcja tokamaka powstała w latach 1950-1951 od IE Tamma i AD Sacharowa w Związku Radzieckim . Tokamak zasadniczo łączył urządzenie ściskające o małej mocy ze stellaratorem o małej mocy.

Grupa AD Sacharowa skonstruowała pierwsze tokamaki, osiągając pierwszą quasistacjonarną reakcję fuzji. :90

Uwięzienie inercyjne

Fuzja laserowa została zasugerowana w 1962 roku przez naukowców z LLNL, wkrótce po wynalezieniu lasera w 1960 roku. Badania nad fuzją inercyjną (przy użyciu laserów) rozpoczęto już w 1965 roku.

Laser Shiva, 1977, największy system laserowy ICF zbudowany w latach siedemdziesiątych
Eksperyment Tandem Mirror (TMX) w 1979 r.

W LLNL zbudowano kilka systemów laserowych. Należą do nich Argus , Cyklop , Janus , długa ścieżka , laser Shiva i Nova .

Postępy laserowe obejmowały kryształy potrajające częstotliwość, które przekształcały podczerwone wiązki laserowe w wiązki ultrafioletowe i „ćwierkanie”, które zmieniały pojedynczą długość fali w pełne widmo, które można było wzmacniać, a następnie odtwarzać w jedną częstotliwość. Badania nad laserami również pochłaniały pieniądze, pochłaniając w latach 80. ponad miliard dolarów.

Ewolucja

Z czasem pojawiła się koncepcja „zaawansowanego tokamaka”, która obejmowała niekołową plazmę, wewnętrzne rozdzielacze i ograniczniki, magnesy nadprzewodzące oraz pracę w tak zwanej wyspie „tryb H” o zwiększonej stabilności. Kompaktowy tokamak z magnesami wewnątrz komory próżniowej.

Lustra magnetyczne cierpiały na straty końcowe, wymagające dużej mocy, złożonych konstrukcji magnetycznych, takich jak cewka baseballowa przedstawiona tutaj.
Komora tarczy Novette (metalowa kula z wystającymi promieniście urządzeniami diagnostycznymi), która została ponownie wykorzystana z projektu Shiva , a w tle widoczne są dwa nowo zbudowane łańcuchy laserowe.
Inercyjna implozja termojądrowa w laserze Nova w latach 80. była kluczowym czynnikiem rozwoju syntezy jądrowej.

lata 80.

Tore Supra , JET , T-15 , a JT-60 tokamaki zostały zbudowane w 1980 roku. W 1984 roku Martin Peng z ORNL zaproponował sferyczny tokamak o znacznie mniejszym promieniu. Używał jednego dużego przewodnika w środku, z magnesami jako półpierścieniami z tego przewodnika. Współczynnik proporcji spadł do zaledwie 1,2. :B247 :225 Obrona Penga zainteresowała się Derekiem Robinsonem , który zbudował mały tokamak o wąskich proporcjach (START).

1990

W 1991 roku w ramach projektu Preliminary Tritium Experiment w Joint European Torus po raz pierwszy na świecie osiągnięto kontrolowane uwalnianie energii termojądrowej.

W 1996 roku Tore Supra stworzyła plazmę przez dwie minuty o prądzie prawie 1 miliona amperów, co daje łącznie 280 MJ wstrzykniętej i wyekstrahowanej energii.

W 1997 r. JET wyprodukował szczyt 16,1 MW mocy termojądrowej (65% ciepła do plazmy), przy mocy termojądrowej ponad 10 MW utrzymywanej przez ponad 0,5 sekundy.

2000s

Mega Ampere Kulisty Tokamak rozpoczęła działalność w Wielkiej Brytanii w 1999 roku

„Szybki zapłon” pozwolił zaoszczędzić energię i przeniósł ICF do wyścigu o produkcję energii.

W 2006 roku ukończono chiński reaktor testowy EAST . Był to pierwszy tokamak, w którym zastosowano magnesy nadprzewodzące do generowania pól toroidalnych i poloidalnych.

W marcu 2009 r. zaczął działać laserowy ICF NIF .

W 2000 roku do wyścigu przystąpiły wspierane prywatnie firmy termojądrowe, w tym Tri Alpha Energy , General Fusion i Tokamak Energy .

2010s

Przedwzmacniacze National Ignition Facility. W 2012 roku NIF osiągnął strzał o mocy 500 terawatów.
Wendelstein7X w budowie
Przykład konstrukcji stellaratora: Układ cewek (niebieski) otacza plazmę (żółty). Linia pola magnetycznego jest podświetlona na zielono na żółtej powierzchni plazmy.

Prywatne i publiczne badania naukowe przyspieszyły w latach 2010-tych. General Fusion opracował technologię wtryskiwacza plazmowego, a Tri Alpha Energy przetestowało swoje urządzenie C-2U. Rozpoczął działalność francuski Laser Megajoule . NIF osiągnął zysk energetyczny netto w 2013 r., zdefiniowany w bardzo ograniczonym sensie jako gorący punkt w rdzeniu zawalonego celu, a nie jako cały cel.

W 2014 roku, Phoenix Labs jądrowe sprzedawane wysokiej wydajności neutronów generator, który może utrzymać 5 x 10 11 deuteru reakcji syntezy na sekundę w okresie 24-godzinnym.

W 2015 r. MIT ogłosił tokamak, który nazwał reaktorem syntezy jądrowej ARC , wykorzystując taśmy nadprzewodzące z tlenku baru i miedzi (REBCO) z ziem rzadkich do produkcji cewek o wysokim polu magnetycznym, które, jak twierdzi, mogą wytwarzać porównywalne natężenie pola magnetycznego w mniejszej konfiguracji niż inne konstrukcje . W październiku naukowcy z Instytutu Fizyki Plazmy im. Maxa Plancka ukończyli budowę największego do tej pory stellaratora , Wendelsteina 7-X . Wkrótce wyprodukował plazmy helowe i wodorowe trwające do 30 minut.

W 2017 roku do eksploatacji weszła maszyna plazmowa piątej generacji firmy Helion Energy . Brytyjska firma Tokamak Energy ST40 wytworzyła „pierwszą plazmę”. W następnym roku Eni ogłosiła inwestycję 50 milionów dolarów w Commonwealth Fusion Systems , aby spróbować skomercjalizować technologię ARC MIT .

2020s

W styczniu 2021 r. firma SuperOx ogłosiła komercjalizację nowego drutu nadprzewodzącego o wydajności prądowej przekraczającej 700 A/mm2.

Firma TAE Technologies ogłosiła wyniki dla swojego urządzenia Norman, utrzymującego temperaturę około 60 milionów °C (108 milionów °F) przez 30 milisekund, odpowiednio 8 i 10 razy wyższą niż poprzednie urządzenia firmy.

Wydaje się, że w niedzielę 8 sierpnia 2021 r. National Ignition Facility po raz pierwszy w ponad 60-letniej historii programu ICF uruchomił w laboratorium zapłon syntezy jądrowej . Strzał przyniósł 1,3 megadżuli energii termojądrowej, 8-krotny wzrost w porównaniu z testami przeprowadzonymi wiosną 2021 r. i 25-krotny wzrost w porównaniu z rekordowymi eksperymentami NIF 2018. Wczesne raporty oszacowały, że 250 kilodżuli energii zostało zdeponowanych na celu (około 2/3 energii z wiązek), co dało 1,3 megadżuli wyprowadzanych z plazmy.

Dokumentacja

Rekordy Fusion zostały ustanowione przez wiele urządzeń. Niektórzy śledzą:

Domena Rok Nagrywać Urządzenie Uwagi
Temperatura plazmy 2012 1,8 miliarda kelwinów Focus-Fusion 1
Moc syntezy 1997 16 MW STRUMIEŃ
Moc syntezy ICF 2021 1,3 MJ Krajowy Zakład Zapłonu
Ciśnienie plazmy 2016 2,05 atmosfery Alcator C-Mod
Kryterium Lawsona 2013 1,53 × 10 21 keV.sm -3 JT-60 .
Współczynnik zysku energii termojądrowej Q 1997 0,69 Wspólny Europejski Torus (JET) 16 MW mocy w porównaniu do 23 MW ogrzewania plazmowego.
Czas odosobnienia (konfiguracja odwrócona w terenie) 2016 300 ms Konfiguracja odwrócona Princeton Field Nie zaobserwowano fuzji.
Czas odosobnienia (stellarator) 2019 100 s Wendelstein 7-X
Czas odosobnienia (tokamak) 2016 70 lat WSCHÓD
Czas odosobnienia x temperatura (tokamak) 2021 12 × 10 9 WSCHÓD
Beta 0,32 Mały tokamak o ciasnych proporcjach

Zobacz też

Bibliografia

Bibliografia

Zewnętrzne linki