Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Взрыв водородной бомбы Айви Майк . Водородная бомба - единственное устройство, способное достичь коэффициента усиления энергии термоядерного синтеза, значительно превышающего 1.

Коэффициент усиления термоядерной энергии , как правило , выражается с символом Q , представляет собой отношение энергии термоядерного синтеза , полученную в термоядерном реакторе на мощность , необходимым для поддержания плазмы в стационарном состоянии . Условие Q = 1, когда мощность, выделяемая реакциями термоядерного синтеза, равна требуемой мощности нагрева, называется безубыточностью или, в некоторых источниках, научной безубыточностью .

Энергия, выделяемая в результате реакций синтеза, может улавливаться топливом, что приводит к самонагреванию . Большинство реакций синтеза выделяют по крайней мере часть своей энергии в форме, которая не может быть захвачена плазмой, поэтому система с Q = 1 будет охлаждаться без внешнего нагрева. При использовании типичного топлива самонагревание в термоядерных реакторах не будет соответствовать внешним источникам, по крайней мере, до Q = 5. Если Q увеличивается выше этой точки, увеличение самонагрева в конечном итоге устраняет необходимость во внешнем нагреве. В этот момент реакция становится самоподдерживающейся, состояние называется воспламенением . Зажигание соответствует бесконечному Q, и обычно считается весьма желательным для практических конструкций реакторов.

Со временем в лексикон слияния вошли несколько родственных терминов. Энергия, которая не нагревается самостоятельно, может собираться извне для производства электричества. Это электричество можно использовать для нагрева плазмы до рабочих температур. Система с автономным питанием, работающая таким образом, называется работающей в режиме безубыточности . Работая выше инженерной безубыточности, машина будет производить больше электроэнергии, чем потребляет, и продавать это излишки. Тот, который продает достаточно электроэнергии, чтобы покрыть свои эксплуатационные расходы, иногда называют экономической безубыточностью . Кроме того, термоядерное топливо, особенно тритий , очень дорогое, поэтому многие эксперименты проводятся с различными тестовыми газами, такими как водород или дейтерий.. Реактор, работающий на этом топливе, который достигает условий безубыточности при введении трития, считается работающим с экстраполированной безубыточностью .

По состоянию на 2017 год рекорд для Q установлен на токамаке JET в Великобритании при Q = (16 МВт) / (24 МВт) ≈ 0,67, впервые достигнутый в 1997 году. Первоначально ИТЭР был разработан для достижения воспламенения, но в настоящее время он разработан. достичь Q = 10, производя 500 МВт термоядерной мощности из 50 МВт введенной тепловой мощности. Самый высокий рекорд по экстраполированной безубыточности был установлен устройством JT-60 с Q ext = 1,25.

Концепция [ править ]

Q [a] - это просто сравнение мощности , выделяемой реакциями термоядерного синтеза в реакторе, P fus , с постоянной подаваемой мощностью нагрева, P heat . Однако есть несколько определений безубыточности, которые учитывают дополнительные потери мощности.

Безубыток [ править ]

В 1955 году Джон Лоусон был первым, кто подробно исследовал механизмы баланса энергии, первоначально в секретных работах, но открыто опубликованных в теперь известной статье 1957 года. В этой статье он рассмотрел и уточнил работы более ранних исследователей, в частности, Ханса Тирринга , Питера Тонемана и обзорную статью Ричарда Поста . Расширяя все это, в статье Лоусона были сделаны подробные прогнозы количества энергии, которое будет потеряно из-за различных механизмов, и сравнили это с энергией, необходимой для поддержания реакции. [1] Этот баланс сегодня известен как критерий Лоусона .

В успешной конструкции термоядерного реактора реакции термоядерного синтеза генерируют энергию, обозначенную P fus . [b] Некоторое количество этой энергии, потеря P , теряется из-за различных механизмов, в основном конвекции топлива к стенкам камеры реактора и различных форм излучения, которые не могут быть захвачены для выработки энергии. Для того чтобы сохранить реакция происходит, система должна обеспечивать нагрев , чтобы компенсировать эти потери, где Р потеря = Р тепло для поддержания теплового равновесия. [2]

Самое основное определение безубыточности - это когда Q = 1, [c] то есть P fus = P heat .

Некоторые работы называют это определение научной безубыточностью , чтобы противопоставить его аналогичным терминам. [3] [4] Однако это использование редко за пределами определенных областей, особенно области термоядерного синтеза с инерционным удержанием , где этот термин используется гораздо более широко.

Экстраполированная безубыточность [ править ]

С 1950-х годов большинство коммерческих конструкций термоядерных реакторов основывались на смеси дейтерия и трития в качестве основного топлива; другие виды топлива обладают привлекательными характеристиками, но их гораздо труднее воспламенить. Поскольку тритий радиоактивен, обладает высокой биологической активностью и высокой подвижностью, он представляет серьезную проблему с точки зрения безопасности и увеличивает стоимость проектирования и эксплуатации такого реактора. [5]

Чтобы снизить затраты, многие экспериментальные машины предназначены для работы на тестовом топливе, состоящем только из водорода или дейтерия, без трития. В этом случае термин экстраполированный безубыточность используется для определения ожидаемой производительности машины, работающей на топливе DT, на основе производительности при работе только на водороде или дейтерии. [6]

Записи по экстраполированной безубыточности немного выше, чем записи по научной безубыточности. И JET, и JT-60 достигли значений около 1,25 (подробности см. Ниже) при работе на топливе DD. При работе на DT, возможной только в JET, максимальная производительность составляет примерно половину экстраполированного значения. [7]

Безубыточность инженерного дела [ править ]

Другой родственный термин, инженерная безубыточность , рассматривает необходимость извлекать энергию из реактора, превращать ее в электрическую и подавать часть ее обратно в систему отопления. [6] Этот замкнутый контур, по которому электричество из термоядерного синтеза отправляется обратно в систему отопления, называется рециркуляцией . В этом случае основное определение изменяется путем добавления дополнительных терминов к стороне P fus для учета эффективности этих процессов. [8]

Реакции DT выделяют большую часть своей энергии в виде нейтронов и меньшее количество в виде заряженных частиц, таких как альфа-частицы . Нейтроны электрически нейтральны и будут выходить за пределы любой конструкции термоядерного синтеза с магнитным удержанием (MFE), и, несмотря на очень высокую плотность, обнаруженную в конструкциях термоядерного синтеза с инерционным удержанием (ICF), они также имеют тенденцию легко выходить из массы топлива в этих конструкциях. Это означает, что только заряженные частицы в результате реакций могут быть захвачены в топливной массе и вызвать саморазогрев. Если доля энергии, выделяемой заряженными частицами, равна f ch , то мощность этих частиц равна P ch = f chP fus . Если этот процесс самонагрева идеален, то есть весь P ch улавливается в топливе, это означает, что мощность, доступная для выработки электричества, - это мощность, которая не выделяется в этой форме, или (1 -  f ch ) P fus . [9]

В случае нейтронов, переносящих большую часть практической энергии, как в случае с топливом DT, эта энергия нейтронов обычно улавливается в « бланкете » из лития, который производит больше трития, которое используется для топлива реактора. Из - за различные экзотермические и эндотермические реакции, одеяло может иметь коэффициент усиления мощности М R . M R обычно находится в пределах от 1,1 до 1,3, что означает, что он также производит небольшое количество энергии. Конечный результат, общее количество энергии, выделенной в окружающую среду и, таким образом, доступной для производства энергии, обозначается как P R , чистая выходная мощность реактора. [9]

Затем одеяло охлаждается, и охлаждающая жидкость используется в теплообменнике, приводящем в действие обычные паровые турбины и генераторы. Это электричество затем возвращается в систему отопления. [9] Каждый из этих этапов производственной цепочки должен учитывать эффективность. В случае систем нагрева плазмы этот показатель составляет порядка 60–70%, в то время как в современных системах генерации, основанных на цикле Ренкина, этот показатель составляет от 35 до 40%. Комбинируя все это, мы получаем чистую эффективность контура преобразования мощности в целом от 0,20 до 0,25. То есть от 20 до 25% может быть рециркулировано. [9]

Таким образом, коэффициент усиления энергии термоядерного синтеза, необходимый для достижения технической безубыточности, определяется как: [10]

Чтобы понять, как это используется, рассмотрим реактор, работающий на 20 МВт и Q = 2. Q = 2 при 20 МВт подразумевает, что тепловая энергия P составляет 10 МВт. Из этих первоначальных 20 МВт около 20% приходится на альфа-компоненты, поэтому при условии полного улавливания 4 МВт тепла P потребляются самостоятельно. Нам нужно в общей сложности 10 МВт тепла и 4 из них через альфа-канал, поэтому нам нужно еще 6 МВт мощности. Из первоначальных 20 МВт мощности 4 МВт остается в топливе, поэтому у нас есть 16 МВт чистой выработки. Используя M R 1,15 для бланкета, мы получаем P R около 18,4 МВт. Предполагая, что хорошее значение равно 0,25, для этого требуется 24 МВт P R , поэтому реактор на Q= 2 не может достичь инженерной безубыточности. При Q = 4 требуется 5 МВт тепла, 4 из которых поступают от термоядерного синтеза, в результате чего требуется 1 МВт внешней мощности, которую можно легко получить за счет чистой выходной мощности 18,4 МВт. Таким образом, для этой теоретической конструкции Q E составляет от 2 до 4.

Принимая во внимание реальные потери и КПД, значения Q от 5 до 8 обычно указаны для устройств магнитного удержания [9], в то время как инерционные устройства имеют значительно более низкие значения и, следовательно, требуют гораздо более высоких значений Q E , порядка от 50 до 100. [11]

Зажигание [ править ]

С увеличением температуры плазмы скорость термоядерных реакций быстро растет, а вместе с ней и скорость самонагрева. Напротив, неуловимые потери энергии, такие как рентгеновские лучи, не растут с той же скоростью. Таким образом, в целом, процесс самонагрева становится более эффективным при повышении температуры, и для поддержания его в горячем состоянии требуется меньше энергии из внешних источников.

В конце концов P heat достигает нуля, то есть вся энергия, необходимая для поддержания рабочей температуры плазмы, обеспечивается за счет самонагрева, а количество внешней энергии, которую необходимо добавить, падает до нуля. Эта точка называется возгоранием . В случае топлива DT, где только 20% энергии выделяется в виде альфа-частиц, вызывающих самонагрев, этого не может произойти, пока плазма не будет выделять по крайней мере в пять раз больше энергии, необходимой для поддержания ее рабочей температуры.

Зажигание, по определению, соответствует бесконечной добротности , но это не означает, что рециркуляция f падает до нуля, поскольку другие источники питания в системе, такие как магниты и системы охлаждения, все еще нуждаются в питании. Однако, как правило, они намного меньше, чем энергия в нагревателях, и требуют гораздо меньшего f рециркуляции . Что еще более важно, это число, скорее всего, будет почти постоянным, а это означает, что дальнейшее улучшение характеристик плазмы приведет к увеличению количества энергии, которая может быть напрямую использована для коммерческого производства, а не для рециркуляции.

Коммерческая безубыточность [ править ]

Окончательное определение безубыточности - это коммерческая безубыточность , которая возникает, когда экономическая стоимость любой чистой электроэнергии, оставшейся после рециркуляции, достаточна для оплаты реактора. [6] Эта стоимость зависит как от капитальных затрат реактора, так и от любых связанных с этим финансовых затрат, его эксплуатационных расходов, включая топливо и техническое обслуживание, а также спотовой цены на электроэнергию. [6] [12]

Коммерческая безубыточность зависит от факторов, не связанных с технологией самого реактора, и вполне возможно, что даже реактор с полностью воспламененной плазмой, работающий далеко за пределами технической безубыточности, не будет вырабатывать достаточно электроэнергии достаточно быстро, чтобы окупить себя. В полевых условиях обсуждается, может ли какая-либо из основных концепций, таких как ИТЭР, достичь этой цели. [13]

Практический пример [ править ]

Большинство проектов термоядерных реакторов, изучаемых по состоянию на 2017 год , основаны на реакции DT, поскольку она, безусловно, является самой легкой для воспламенения и является энергоемкой. Однако эта реакция также выделяет большую часть своей энергии в виде одного высокоэнергетического нейтрона и только 20% энергии в форме альфа. Таким образом, для реакции DT f ch = 0,2. Это означает, что самонагрев не становится равным внешнему нагреву, по крайней мере, до Q = 5.

Значения КПД зависят от деталей конструкции, но могут находиться в диапазоне η heat = 0,7 (70%) и η elec = 0,4 (40%). Задача термоядерного реактора - производить энергию, а не рециркулировать ее, поэтому в практическом реакторе f рециркуляция должна быть приблизительно равна 0,2. Лучше было бы меньше, но этого будет трудно достичь. Используя эти значения, находим для практического реактора Q = 22.

Что касается ИТЭР, то у нас есть проект, который вырабатывает 500 МВт энергии при поставке 50 МВт. Если 20% мощности нагревается самостоятельно, это означает утечку 400 МВт. Если предположить, что η heat = 0,7 и η elec = 0,4, ИТЭР (теоретически) может производить до 112 МВт тепла. Это означает, что ИТЭР будет работать в инженерной безубыточности. Однако ИТЭР не оборудован системами отбора мощности, так что это остается теоретическим до тех пор, пока не появятся последующие машины, такие как DEMO .

Временное против непрерывного [ править ]

Многие ранние термоядерные устройства работали в течение микросекунд, используя какой-то импульсный источник энергии для питания своей системы магнитного удержания , при этом используя сжатие от удержания в качестве источника нагрева. В этом контексте Лоусон определил безубыточность как общую энергию, выделяемую в течение всего реакционного цикла, по сравнению с общей энергией, подаваемой в машину в течение того же цикла. [7]

Со временем, когда производительность увеличилась на порядки, время реакции увеличилось с микросекунд до секунд, а в ИТЭР - на несколько минут. В этом случае определение «всего реакционного цикла» размывается. В случае зажженной плазмы, например, тепло P может быть довольно высоким, пока система настраивается, а затем упасть до нуля, когда оно полностью развернется, поэтому может возникнуть соблазн выбрать момент времени, когда он работает в лучшем случае для определения максимума, или бесконечен, Q . Лучшее решение в этих случаях - использовать исходное определение Лоусона, усредненное по реакции, чтобы получить значение, аналогичное исходному определению. [7]

Есть дополнительная сложность. Во время фазы нагрева, когда система приводится в рабочее состояние, часть энергии, высвобождаемой в результате реакций синтеза, будет использоваться для нагрева окружающего топлива и, таким образом, не будет выпущена в окружающую среду. Это уже не так, когда плазма достигает своей рабочей температуры и входит в тепловое равновесие. Таким образом, при усреднении за весь цикл эта энергия будет включена как часть срока нагрева, то есть некоторая часть энергии, которая была захвачена для нагрева, в противном случае была бы высвобождена в P fus и, следовательно, не свидетельствует о рабочем состоянии. Вопрос . [7]

Операторы реактора JET утверждали, что этот ввод нужно убрать из общего:

где:

То есть P temp - это мощность, применяемая для увеличения внутренней энергии плазмы. Именно это определение использовалось при сообщении рекордного значения JET 0,67. [7]

Некоторые споры по поводу этого определения продолжаются. В 1998 году операторы JT-60 заявили, что достигли Q = 1,25 при работе на топливе DD, таким образом достигнув экстраполированной точки безубыточности. Это измерение было основано на определении Q * JET. Используя это определение, JET некоторое время назад также достиг экстраполированной безубыточности. [14] Если рассматривать энергетический баланс в этих условиях и анализ предыдущих машин, утверждается, что следует использовать исходное определение, и, таким образом, обе машины остаются значительно ниже безубыточности любого рода. [7]

Научная безубыточность в НИФ [ править ]

Хотя в большинстве термоядерных экспериментов используется та или иная форма магнитного удержания, другой важной ветвью является термоядерный синтез с инерционным удержанием (ICF), который механически сжимает топливную массу («мишень») для увеличения ее плотности. Это значительно увеличивает скорость термоядерных реакций и снижает необходимость удерживать топливо на длительные периоды. Это сжатие достигается за счет нагревания легкой капсулы, содержащей топливо, с помощью какой-либо формы «драйвера». Существует множество предложенных драйверов, но на сегодняшний день в большинстве экспериментов используются лазеры . [15]

Используя традиционное определение Q , P fus / P heat , устройства ICF имеют чрезвычайно низкую добротность . Это потому, что лазер крайне неэффективен; в то время как для нагревателей, используемых в магнитных системах, может быть порядка 70%, для лазеров - порядка 1%.

По этой причине Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса (LLNL), лидер в исследованиях ICF, предложила другую модификацию Q, которая определяет P- тепло как энергию, передаваемую драйвером капсуле, в отличие от энергии, передаваемой в драйвер от источника энергии. внешний источник питания. То есть они предлагают исключить неэффективность лазера из соображений усиления. Это определение дает гораздо более высокие значения Q и изменяет определение безубыточности на P fus / P laser = 1. Иногда они называли это определение «научной безубыточностью». [16] [17]Этот термин не использовался повсеместно; другие группы приняли новое определение Q, но продолжали называть P fus = P лазер просто как безубыточность. [18]

7 октября 2013 года LLNL объявила, что 29 сентября она достигла научной безубыточности в Национальном центре зажигания (NIF). [19] [20] [21] В этом эксперименте P fus составлял примерно 14 кДж, а выходная мощность лазера составляла 1,8 МДж. По их предыдущему определению это будет Q, равное 0,0077. Для этого пресс-релиза они снова переопределили Q , на этот раз приравняв к теплу P только количество энергии, доставленной «самой горячей части топлива», и подсчитали, что только 10 кДж из исходной энергии лазера достигли части топливо, которое подвергалось термоядерным реакциям. Этот выпуск подвергся резкой критике на местах.[22] [23]

Заметки [ править ]

  1. ^ Или очень редко Q fus .
  2. ^ Это было обозначено P R в оригинальной статье Лоусона, [1] но изменено здесь, чтобы соответствовать современной терминологии.
  3. ^ В оригинальной статье Лоусона термин Q использовался для обозначения полной энергии, выделяемой отдельными реакциями синтеза, в МэВ, а R относилось к балансу мощности. [1] В более поздних работах Q использовалсядля обозначения баланса мощности, как он используется в этой статье.

Ссылки [ править ]

Цитаты [ править ]

  1. ^ a b c Лоусон 1957 , стр. 6.
  2. Перейти ↑ Lawson 1957 , pp. 8-9.
  3. ↑ Карпенко, В.Н. (сентябрь 1983 г.). «Испытательная установка для зеркального термоядерного синтеза: промежуточное устройство для реактора для зеркального термоядерного синтеза» . Ядерные технологии - термоядерный синтез . 4 (2P2): 308–315. DOI : 10.13182 / FST83-A22885 .
  4. ^ 17-я конференция МАГАТЭ по термоядерной энергии . 19 октября 1998 г.
  5. ^ Выданный Jassby, Daniel (19 апреля 2017). «Термоядерные реакторы: не то, чем они должны быть» . Бюллетень ученых-атомщиков .
  6. ^ a b c d Раззак, М. А. "Плазменный словарь" . Нагойский университет . Архивировано из оригинала на 2018-10-03 . Проверено 27 июля 2017 .
  7. ^ Б с д е е Meade 1997 .
  8. ^ Entler 2015 , стр. 513.
  9. ^ a b c d e Entler 2015 , стр. 514.
  10. ^ Entler 2015 , стр. 514-515.
  11. ^ Годовой отчет лазерной программы . Министерство энергетики. 1981. с. 8.5.
  12. ^ «Глоссарий» . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса .
  13. ^ Хирш, Роберт (лето 2015). «Fusion Research: время выбрать новый путь» . Проблемы в технологии . Vol. 31 нет. 4.
  14. ^ «JT-60U достигает 1,25 эквивалентного прироста мощности термоядерного синтеза» . 7 августа 1998 года Архивировано из оригинала 6 января 2013 года . Проверено 5 декабря +2016 .
  15. ^ Pfalzner, S. (2006). Введение в термоядерный синтез с инерционным удержанием (PDF) . CRC Press. С. 13–24.
  16. ↑ Моисей, Эдвард (4 мая 2007 г.). Статус проекта NIF (Технический отчет). Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса. п. 2.
  17. ^ Ahlstrom, HG (июнь 1981). «Эксперименты по лазерному синтезу, оборудование и диагностика в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса». Прикладная оптика . 20 (11): 1902–24. Bibcode : 1981ApOpt..20.1902A . DOI : 10,1364 / AO.20.001902 . PMID 20332859 . 
  18. ^ Оценка целей термоядерного синтеза с инерционным удержанием . Национальная академия прессы. Июль 2013. с. 45, 53. ISBN 9780309270625.
  19. ↑ Ринкон, Пол (7 октября 2013 г.). «В лаборатории США пройдена веха ядерного синтеза» . BBC News .
  20. ↑ Болл, Филипп (12 февраля 2014 г.). «Лазерный термоядерный эксперимент извлекает чистую энергию из топлива» . Природа .
  21. ^ «Последние результаты термоядерного синтеза из Национального центра зажигания» . HiPER . 13 февраля 2014 г.
  22. ^ "Научная безубыточность для термоядерной энергии" (PDF) . ОГОНЬ .
  23. ^ Клери, Daniel (10 октября 2013). «Прорыв Fusion» в NIF? Эээ, не совсем… » . Наука .

Библиография [ править ]

  • Энтлер, Славомир (июнь 2015 г.). «Инженерная безубыточность». Журнал термоядерной энергии . 34 (3): 513–518}. DOI : 10.1007 / s10894-014-9830-2 . S2CID  189913715 .
  • Лоусон, Джон (1957). «Некоторые критерии для энергетического термоядерного реактора». Труды физического общества, раздел B . 70 (6): 6–10. Bibcode : 1957PPSB ... 70 .... 6L . DOI : 10.1088 / 0370-1301 / 70/1/303 .
  • Мид, Дейл (октябрь 1997 г.). Q, безубыточность и диаграмма nτE для нестационарной термоядерной плазмы . 17-й симпозиум IEEE / NPSS по термоядерной инженерии.