Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Художественная концепция DEMO, подключенного к электросети

DEMO ( DEMOnstration Power Station ) - это предлагаемая термоядерная электростанция, созданная на базе экспериментального термоядерного реактора ИТЭР . Обычно считается, что цели DEMO лежат где-то между целями ITER и «первой в своем роде» коммерческой станцией, которую иногда называют PROTO .

Хотя нет четкого международного консенсуса относительно точных параметров или объема, следующие параметры часто используются в качестве базовых для проектных исследований: DEMO должен производить не менее 2000 мегаватт (2 гигаватт ) термоядерной энергии на постоянной основе, и он должен производить 25 раз больше мощности, чем требуется для безубыточности. Проект DEMO мощностью от 2 до 4 гигаватт тепловой энергии будет соответствовать масштабу современной электростанции . [1]

ПроектВпрыскиваемый тепловой вводПолная тепловая мощностьЗначение Q
JET24 МВт16 МВт0,67
ИТЭР50 МВт500 МВт10
ДЕМО80 МВт2000 МВт25

Для достижения своих целей DEMO должен иметь линейные размеры примерно на 15% больше, чем ITER, и плотность плазмы примерно на 30% больше, чем ITER. В 2006 году было подсчитано, что в качестве прототипа коммерческого термоядерного реактора DEMO сможет сделать термоядерную энергию доступной к 2033 году, но предлагаемые операции сейчас отложены до 2050-х годов. [2] По оценкам, последующие коммерческие термоядерные реакторы могут быть построены примерно за четверть стоимости DEMO, [3] [4], но опыт ИТЭР предполагает, что разработка цикла технологических инноваций на основе токамаков стоимостью в несколько миллиардов долларов США способен развивать термоядерную энергиюстанции, которые могут конкурировать с технологиями, не использующими термоядерный синтез, вероятно, столкнутся с проблемой «долины смерти» в венчурном капитале , то есть с недостаточными инвестициями, чтобы выйти за рамки прототипов [5], поскольку токамакам DEMO потребуется разработать новые цепочки поставок [6] и трудоемки. [7]

Место DEMO в развитии термоядерной энергии [ править ]

Для некоторых стран консорциума ИТЭР DEMO теперь может быть фазой, а не конкретной машиной консорциума ИТЭР, и может даже стать свидетелем слияния фаз DEMO и PROTO в одну. В заключительном отчете комитета по Стратегическому плану исследований плазмы США, подготовленном Национальными академиями наук, инженерии и медицины США за 2019 год, отмечалось, что «большое ДЕМО-устройство больше не кажется лучшей долгосрочной целью для программы США. . Напротив, научно-технические инновации и растущий интерес и потенциал предприятий частного сектора для продвижения концепций и технологий термоядерной энергии предполагают, что более мелкие и компактные объекты будут лучше привлекать промышленное участие и сокращать время и снижать стоимость пути развития к коммерческая термоядерная энергия ". [8]Примерно две дюжины компаний частного сектора в настоящее время стремятся разработать свои собственные термоядерные реакторы в соответствии с графиком дорожной карты DEMO. [9] [10] 3 октября 2019 года, когда в Великобритании Атомная энергия объявила о создании своего сферического токамака для производства энергии (STEP) [11], подключенного к сети реактора на 2040 год, предполагается, что комбинированная фазовая машина DEMO / PROTO, по-видимому, будет спроектирована так, чтобы обойти график ИТЭР . [12] Предложенная в Китае машина CFETR , подключенный к сети реактор, вырабатывающий гигаватт, перекрывает график DEMO. [13] [14] Несмотря на эти события, в ноябре 2020 года группа независимых экспертов провела обзор EUROfusionработала над дизайном и НИОКР над DEMO, и EUROfusion подтвердила, что переходит к следующему этапу своей Дорожной карты Fusion Energy, а именно к концептуальному дизайну DEMO в партнерстве с европейским термоядерным сообществом и промышленностью, предлагая DEMO- при поддержке ЕС. фазовая машина, которая формально могла носить название DEMO. [15]

Хронология [ править ]

График DEMO несколько раз сдвигался из-за пробуксовки в графике ИТЭР. Следующее расписание было представлено на конференции МАГАТЭ по термоядерной энергии в 2004 году Кристофером Ллевеллином Смитом : [3]

  • Эскизное проектирование выполнено в 2017 г.
  • Техническое проектирование должно быть завершено к 2024 году (после ввода данных испытаний ИТЭР DT и данных из IFMIF - оба задержаны с 2016 года )
  • Первый этап строительства продлится с 2024 по 2033 год.
  • Первый этап эксплуатации продлится с 2033 по 2038 год.
  • Затем станция должна быть расширена и обновлена ​​(например, с помощью проектирования одеяла 2 этапа).
  • Второй этап эксплуатации должен начаться в 2040 году.

В 2012 году Европейское соглашение о развитии термоядерного синтеза (EFDA) представило дорожную карту для термоядерной энергии с планом, показывающим зависимость деятельности DEMO от ИТЭР и IFMIF. [16]

  • Эскизный проект должен быть завершен в 2020 году [16] : 63
  • Завершение инженерного проектирования и решение о строительстве в 2030 г.
  • Строительство с 2031 по 2043 год
  • Работа с 2044 года, демонстрация выработки электроэнергии в 2048 году

Эта дорожная карта на 2012 год должна была быть обновлена ​​в 2015 и 2019 годах. [16] : 49 В 2013 году EFDA была заменена EUROfusion . В 2018 году дорожная карта была обновлена. [2]

  • Концептуальный проект должен быть завершен до 2030 года
  • Инженерное проектирование 2030-2040 гг.
  • Строительство с 2040 года

Это будет означать, что операции начнутся где-то в 2050-х годах.

Технические соображения [ править ]

Смотрите также: ядерный синтез и термоядерная энергия
Дейтерий - тритий реакция синтеза (ДТ) считается наиболее перспективной для получения термоядерной энергии .
Схема ДЕМО термоядерной электростанции

Когда дейтерий и тритий сливаются, два ядра объединяются, чтобы сформировать резонансное состояние, которое расщепляется, образуя, в свою очередь, ядро гелия ( альфа-частицу ) и нейтрон высокой энергии .

2
1ЧАС
 + 3
1ЧАС
 → 4
2Он
 + 1
0п
 + 17,6 МэВ

DEMO будет построен после того, как будут разработаны конструкции, которые решат многие проблемы современных термоядерных реакторов. Эти проблемы включают в себя: удержание плазменного топлива при высоких температурах, поддержание достаточно высокой плотности реагирующих ионов и захват нейтронов высокой энергии из реакции без плавления стенок реактора.

  • Энергия активации синтеза очень велика, поскольку протоны в каждом ядре сильно отталкиваются друг от друга; они оба заряжены положительно . Чтобы слиться, ядра должны находиться в пределах 1 фемтометра (1 × 10 -15 метров) друг от друга, где эффекты квантового туннелирования позволяют родительским ядрам сливаться вместе в резонансное состояние. Принцип состоит в том, чтобы сформировать квазимаксвелловское распределение для дейтронов и тритонов при очень высоких температурах, когда ядра в хвосте Максвелла подвергаются слиянию, в то время как непрерывные упругие столкновения между другими ядрами не изменяют состояние ядра. плазма.
  • DEMO, реактор Tokamak , требует как плотной плазмы, так и высоких температур для поддержания реакции синтеза.
  • Высокие температуры дают ядрам достаточно энергии, чтобы преодолеть их электростатическое отталкивание . Для этого требуются температуры порядка 100000000  ° C и достигается за счет использования энергии из различных источников, включая омический нагрев (от электрических токов, индуцированных в плазме), микроволны , ионные пучки или инжекцию нейтрального пучка.
  • Сосуды сдерживания плавятся при этих температурах, поэтому плазму следует удерживать подальше от стенок с помощью магнитного удержания .

Как только термоядерный синтез начнется, нейтроны высоких энергий с температурой около 160 000 000 000  кельвинов будут выливаться из плазмы вместе с рентгеновскими лучами , на них не действуют сильные магнитные поля. Поскольку нейтроны получают большую часть энергии от термоядерного синтеза, они будут основным источником тепловой энергии реактора. Ультра-горячий гелиевый продукт с температурой примерно 40 000 000 000 кельвинов останется (временно) для нагрева плазмы и должен компенсировать все механизмы потерь (в основном тормозное рентгеновское излучение от замедления электронов), которые имеют тенденцию довольно быстро охлаждать плазму.

  • Защитный сосуд Токамака будет иметь футеровку, состоящую из керамических или композитных плиток, содержащих трубы, по которым будет течь теплый жидкий металлический литий , охлаждающий футеровку.
  • Литий легко поглощает высокоскоростные нейтроны с образованием гелия и трития, при этом нагреваясь.
  • Это повышение температуры передается другой (промежуточной) охлаждающей жидкости, возможно (находящейся под давлением) жидкой воде в герметичной трубе под давлением.
  • Тепло промежуточного хладагента будет использовано для кипячения воды в теплообменнике .
  • Пар из теплообменника будет использоваться для привода турбин и генераторов, для создания электрического тока .
  • Отработанная тепловая энергия сверх выработанной электроэнергии сбрасывается в окружающую среду.
  • Побочный продукт гелия - это «пепел» этого синтеза, и ему не позволено слишком много накапливаться в плазме.
  • Тщательно отмеренные количества дейтерия и трития добавляются обратно в плазму и нагреваются.
  • Литий обрабатывается для удаления гелия и трития, а остаток используется повторно для сбора большего количества тепла и нейтронов. Потребляется лишь небольшое количество лития.

Планируется, что проект DEMO будет развивать и улучшать концепции ИТЭР. Поскольку это только предлагается в настоящее время, многие детали, включая методы нагрева и метод захвата нейтронов высоких энергий, все еще не определены. [17] [18] [19]

Концептуальный дизайн [ править ]

Все аспекты DEMO были подробно обсуждены в документе 2009 года Ассоциации Евратома-UKAEA Fusion. [20] Были изучены четыре концептуальных дизайна PPCS A, B, C, D. Выявленные проблемы включали: [20]

  • конструкционные материалы, устойчивые к высокому нейтронному потоку
  • высокотемпературные сверхпроводники , чтобы избежать необходимости в большом количестве гелия для охлаждения , что вызовет проблемы с мировыми запасами гелия
  • потребность в высоком КПД в системах отопления и привода.

В плане на 2012 год концептуальное проектирование должно быть завершено в 2020 году.

Радиоактивные отходы [ править ]

В то время как термоядерные реакторы, такие как ITER и DEMO, не будут производить ни трансурановых, ни продуктов деления , которые вместе составляют основную часть ядерных отходов, производимых реакторами деления , некоторые компоненты реакторов ITER и DEMO станут радиоактивными из-за падающих на них нейтронов. . Есть надежда, что плазменные облицовочные материалы будут разработаны таким образом, чтобы отходы, произведенные таким образом, имели гораздо более короткий период полураспада, чем отходы реакторов деления, а отходы оставались опасными менее одного столетия. [ необходима цитата ] Разработка этих материалов - основная цельМеждународная установка по облучению термоядерных материалов . В процессе производства трития в настоящее время образуются долгоживущие отходы, но как ИТЭР, так и ДЕМО будут производить свой собственный тритий, обходясь без реактора деления, который в настоящее время используется для этой цели. [ сомнительно - обсудить ] [21] [ неудачная проверка - см. обсуждение ]

ПРОТО [ править ]

Основная статья: ПРОТО (термоядерный реактор)

PROTO был предложением для эксперимента за пределами ДЕМО, частью долгосрочной стратегии Европейской комиссии по исследованию термоядерной энергии. PROTO будет выступать в качестве прототипа электростанции, учитывая все оставшиеся технологические усовершенствования и демонстрируя производство электроэнергии на коммерческой основе. Это ожидалось только после DEMO, после 2050 года, и, вероятно, не будет второй частью эксперимента DEMO / PROTO, поскольку он больше не фигурирует в официальных документах. [22]

См. Также [ править ]

  • Китайский испытательный реактор Fusion Engineering
  • COLEX процесс
  • ИТЭР
  • ПРОТО
  • Сферический токамак для производства энергии

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Демонстрационные термоядерные реакторы" . Fusion для энергии . Европейское совместное предприятие по ИТЭР и развитию термоядерной энергии. Архивировано из оригинала 8 июля 2007 года . Проверено 5 февраля 2011 года .
  2. ^ a b EUROfusion. «Дорожная карта» . www.euro-fusion.org . Архивировано из оригинального 12 февраля 2019 года . Проверено 27 марта 2019 .
  3. ^ a b «За пределами ИТЭР» . Проект ИТЭР . Информационные службы, Принстонская лаборатория физики плазмы. Архивировано из оригинала 7 ноября 2006 года.
  4. ^ «Обзор деятельности EFDA» . EFDA . Европейское соглашение о развитии термоядерного синтеза . Архивировано из оригинала на 1 октября 2006 года.
  5. ↑ Cardozo, NJ Lopes (4 февраля 2019 г.). «Экономические аспекты использования термоядерной энергии: долина смерти и инновационный цикл» . Философские труды Королевского общества A: математические, физические и технические науки . 377 (2141): 20170444. Bibcode : 2019RSPTA.37770444C . DOI : 10,1098 / rsta.2017.0444 . ISSN 1364-503X . PMID 30967058 .  
  6. ^ Энтлер, Славомир; Горачек, Ян; Длоухи, Томас; Досталь, Вацлав (2018). «Аппроксимация экономии энергии термоядерного синтеза» . Энергия . 152 : 489–497. DOI : 10.1016 / j.energy.2018.03.130 . ISSN 0360-5442 . 
  7. ^ Banacloche, Santacruz; Gamarra, Ana R .; Лечон, Иоланда; Бустрео, Кьяра (15 октября 2020 г.). «Социально-экономические и экологические последствия попадания солнца на Землю: анализ устойчивости развертывания термоядерной электростанции» . Энергия . 209 : 118460. DOI : 10.1016 / j.energy.2020.118460 . ISSN 0360-5442 . 
  8. ^ Национальные академии наук, инженерии и медицины (США). Комитет по стратегическому плану исследований плазмы в США. Национальные академии наук, инженерии и медицины (США). Совет по физике и астрономии. Национальные академии наук, инженерии и медицины (США). Отдел инженерных и физических наук. (2019). Заключительный отчет Комитета по стратегическому плану исследований плазмы в США . Пресса национальных академий: Пресса национальных академий. п. 12. ISBN 978-0-309-48743-6. OCLC  1107989881 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  9. ^ Асмундссон, Джон; Уэйд, Уилл (28 сентября 2019 г.). «Ядерный синтез может спасти планету от климатической катастрофы» . Блумберг .
  10. ↑ Майклс, Дэниел (6 февраля 2020 г.). «Стартапы Fusion воплощают в жизнь старую десятилетнюю мечту о чистой энергии» . The Wall Street Journal . ISSN 0099-9660 . Проверено 24 февраля 2020 года . 
  11. ↑ Холлоуэй, Ник (3 октября 2019 г.). «Великобритания сделает большой шаг к термоядерному электричеству» . Калемский центр термоядерной энергии . Проверено 24 февраля 2020 года .
  12. ↑ Гибни, Элизабет (11 октября 2019 г.). «Британские люки планируют построить первую в мире термоядерную электростанцию» . Природа : d41586–019–03039-9. DOI : 10.1038 / d41586-019-03039-9 . ISSN 0028-0836 . PMID 33037417 .  
  13. ^ Лю, Сяоган; Ван, Чжаолян; Рен, Йонг; Ли, Джунцзюнь; Инь, Дапэн; Ли, Лей; Гао, Сян; Ву Ю (1 января 2018 г.). «Оценка механических характеристик конструкции катушки модели центрального соленоида CFETR» . Ядерный синтез . 58 (1): 016035. Bibcode : 2018NucFu..58a6035L . DOI : 10.1088 / 1741-4326 / aa9866 . ISSN 0029-5515 . 
  14. ↑ Ли, Цзянган (11–14 мая 2015 г.). «Устранение пробелов в готовности к CFETR» (PDF) . Третий демонстрационный семинар TCM МАГАТЭ, Хэфэй, Китай: Институт физики плазмы, CAS . Проверено 30 мая 2018 . CS1 maint: location ( ссылка )
  15. ^ Vries, Gieljan де. «Экспертная комиссия утверждает следующий этап разработки ДЕМО» . www.euro-fusion.org . Проверено 16 февраля 2021 года .
  16. ^ a b c Fusion Electricity - Дорожная карта для реализации термоядерной энергии EFDA 2012 - 8 миссий, ИТЭР, ДЕМО, план проекта с зависимостями, ...
  17. ^ Kemp, R .; Wenninger, R .; Federici, G .; Reimerdes, H .; Ambrosino, R .; Brown, R .; Коулман, М. (2018). «Изучение широкого спектра вариантов дизайна для DEMO» . Fusion Engineering и дизайн . 136 : 970–974. DOI : 10.1016 / j.fusengdes.2018.04.049 . ISSN 0920-3796 . 
  18. ^ Тейлор, Нил; Чиатталья, Серджио; Кумбс, Дэйв; Цзинь, Сюэ Чжоу; Джонстон, Джейн; Лигер, Карине; Мадзини, Гвидо; Мора, Хуан Карлос; Пинна, Тонио; Порфири, Мария Тереза; Урбонавичюс, Эгидиюс (2019). «Исследования безопасности и окружающей среды для европейской концепции дизайна DEMO» . Fusion Engineering и дизайн . 146 : 111–114. DOI : 10.1016 / j.fusengdes.2018.11.049 . ISSN 0920-3796 . 
  19. ↑ Окано, Кунихико (15 июня 2018 г.). «Обзор стратегии DEMO в Японии и требуемых инноваций» . Журнал термоядерной энергии . 38 (1): 138–146. DOI : 10.1007 / s10894-018-0169-у . ISSN 0164-0313 . 
  20. ^ a b ДЕМО и путь к термоядерной энергии, Дерек Сторк, Евратом-UKAEA Fusion Association, сентябрь 2009 г.
  21. ^ "ИТЭР-топливо реакции термоядерного синтеза" . ИТЭР . Международный термоядерный экспериментальный реактор . Проверено 28 июля 2010 года .
  22. ↑ Дорожная карта для термоядерного синтеза с магнитным удержанием, Дамиан Хэмпшир, 2008 г. - говорится, что ИТЭР и IFMIF будут завершены в 2016 г.