Сила термоядерного синтеза

Совместный европейский тор (JET) магнитного слитый эксперимент в 1991 году

Энергия термоядерного синтеза - это предлагаемая форма производства электроэнергии, при которой будет вырабатываться электричество за счет использования тепла ядерных термоядерных реакций . В процессе синтеза два более легких атомных ядра объединяются, образуя более тяжелое ядро, выделяя при этом энергию. Устройства, предназначенные для использования этой энергии, известны как термоядерные реакторы .

Процессы термоядерного синтеза требуют топлива и замкнутой среды с достаточной температурой , давлением и временем удержания для создания плазмы, в которой может происходить термоядерный синтез. Комбинация этих цифр, в результате которой получается система, производящая энергию, известна как критерий Лоусона . В звездах наиболее распространенным топливом является водород , а гравитация обеспечивает чрезвычайно долгое время удержания, которое позволяет достичь условий, необходимых для производства термоядерной энергии. В предлагаемых термоядерных реакторах обычно используются изотопы водорода, такие как дейтерий и тритий (и особенно их смесь.), которые реагируют более легко, чем водород, что позволяет им соответствовать требованиям критерия Лоусона в менее экстремальных условиях. Большинство конструкций стремятся нагреть топливо до десятков миллионов градусов, что представляет собой серьезную проблему для создания успешной конструкции.

Ожидается, что ядерный синтез как источник энергии будет иметь много преимуществ перед делением . К ним относятся снижение уровня радиоактивности при эксплуатации и небольшое количество высокоактивных ядерных отходов , достаточные запасы топлива и повышенная безопасность. Однако оказалось, что необходимое сочетание температуры, давления и продолжительности является трудным для практического и экономичного производства. Исследования термоядерных реакторов начались в 1940-х годах, но на сегодняшний день ни одна конструкция не обеспечивает большей выходной мощности термоядерного синтеза, чем потребляемая электрическая мощность, что противоречит цели. ^[1] Вторая проблема, которая влияет на обычные реакции, - это управление нейтронами, которые выделяются во время реакции, которые со временем разлагаются. в реакционной камере используются многие обычные материалы.

Исследователи термоядерного синтеза исследовали различные концепции заключения. Первоначально упор делался на три основные системы: z-пинч , стелларатор и магнитное зеркало . В настоящее время ведущими разработками являются токамак и инерционное удержание (ICF) с помощью лазера . Обе конструкции исследуются в очень больших масштабах, в первую очередь токамак ИТЭР во Франции и лазер National Ignition Facility в США. Исследователи также изучают другие конструкции, которые могут предложить более дешевые подходы. Среди этих альтернатив растет интерес к синтезированию намагниченной мишени и инерционному электростатическому удержанию., и новые варианты стелларатора.

Фон [ править ]

Механизм [ править ]

Реакции слияния происходят, когда два или более атомных ядра подходят достаточно близко на достаточно долгое время, чтобы ядерная сила, стягивающая их вместе, превышала электростатическую силу, раздвигающую их, превращая их в более тяжелые ядра. Для ядер легче железа-56 реакция экзотермична с выделением энергии. Для ядер тяжелее железа-56 реакция эндотермическая , требующая внешнего источника энергии. ^[2] Следовательно, ядра меньшего размера, чем железо-56, с большей вероятностью сливаются, а ядра тяжелее железа-56 с большей вероятностью распадутся.

Сильная сила действует только на короткие расстояния, в то время как отталкивающая электростатическая сила действует на большие расстояния. Чтобы подвергнуться слиянию, атомам топлива нужно дать достаточно энергии, чтобы сблизиться друг с другом достаточно близко, чтобы сильная сила стала активной. Количество кинетической энергии, необходимое для того, чтобы подвести атомы топлива достаточно близко, известно как « кулоновский барьер ». Способы обеспечения этой энергии включают ускорение атомов в ускорителе частиц или нагрев их до высоких температур.

Как только атом нагревается выше своей энергии ионизации , его электроны удаляются (он ионизируется), оставляя только голое ядро ​​( ион ). Результатом является горячее облако ионов и электронов, ранее прикрепленных к ним. Это облако известно как плазма . Поскольку заряды разделены, плазма является электропроводной и управляемой магнитным полем. Многие термоядерные устройства используют это для управления частицами по мере их нагрева.

Поперечное сечение [ править ]

Сечение реакции , обозначенное σ, является мерой вероятности того, что произойдет реакция синтеза. Это зависит от относительной скорости двух ядер. Более высокие относительные скорости обычно увеличивают вероятность, но вероятность снова начинает уменьшаться при очень высоких энергиях. Сечения многих реакций синтеза были измерены (в основном в 1970-х годах) с использованием пучков частиц . ^[3]

В плазме скорость частицы можно охарактеризовать с помощью распределения вероятностей. Если плазма термализована, распределение выглядит как колоколообразная кривая или максвелловское распределение . В этом случае полезно использовать среднее сечение частиц по распределению скоростей. Это вводится в объемную скорость плавления: ^[4]

${\ displaystyle P _ {\ text {fusion}} = n_ {A} n_ {B} \ langle \ sigma v_ {A, B} \ rangle E _ {\ text {fusion}}}$

куда:

• ${\ displaystyle P _ {\ text {fusion}}}$ это энергия, полученная при синтезе, за время и объем
• n - числовая плотность разновидностей A или B частиц в объеме
• ${\ displaystyle \ langle \ sigma v_ {A, B} \ rangle}$- сечение этой реакции, среднее по всем скоростям двух частиц v
• ${\ displaystyle E _ {\ text {fusion}}}$ это энергия, выделяемая этой реакцией слияния.

Критерий Лоусона [ править ]

В критерий Лоусона показывает , как выход энергии зависит от температуры, плотности, скорости столкновения и топлива. Это уравнение было центральным в анализе Джона Лоусона термоядерного синтеза с горячей плазмой. Лоусон принял энергетический баланс , показанный ниже. ^[4]

${\ displaystyle P _ {\ text {out}} = \ eta _ {\ text {capture}} \ left (P _ {\ text {fusion}} - P _ {\ text {проводимость}} - P _ {\ text {излучение} }\верно)}$

• η , КПД
• ${\ displaystyle P _ {\ text {кондукция}}}$, потери проводимости, когда энергетическая масса покидает плазму
• ${\ displaystyle P _ {\ text {радиация}}}$, радиационные потери, поскольку энергия уходит как свет
• ${\ displaystyle P _ {\ text {out}}}$, чистая мощность от термоядерного синтеза
• ${\ displaystyle P _ {\ text {fusion}}}$, - скорость энергии, генерируемой реакциями синтеза.

Плазменные облака теряют энергию из-за проводимости и излучения . ^[4] Проводимость возникает, когда ионы , электроны или нейтралы сталкиваются с другими веществами, обычно с поверхностью устройства, и передают часть своей кинетической энергии другим атомам. Излучение - это энергия, которая покидает облако в виде света в видимом, УФ , ИК или рентгеновском спектрах. Излучение увеличивается с температурой. Технологии термоядерной энергии должны преодолеть эти потери.

Тройной продукт: плотность, температура, время [ править ]

Критерий Лоусона утверждает , что машина держит термализуются и квази- нейтральной плазмы должна соответствовать основным критериям для преодоления радиационных потерь, проводимости потерь и эффективности охвата 30 процентов. ^{[4] [5]} Это стало известно как «тройной продукт»: плотность плазмы, температура и время удержания. ^[6]

В конструкциях с магнитным ограничением плотность очень мала, порядка «хорошего вакуума». Это означает, что полезные скорости реакции требуют увеличения температуры и времени удержания для компенсации низкой плотности. Температуры, релевантные для термоядерного синтеза, были достигнуты с использованием различных методов нагрева, которые были разработаны в начале 1970-х годов, и в современных машинах, начиная с 2019 года ^{[Обновить]}, основным остающимся вопросом является время удержания. Плазма в сильных магнитных полях подвержена ряду внутренних нестабильностей, которые необходимо подавлять, чтобы достичь полезного времени. Один из способов сделать это - просто увеличить объем реактора, что снизит скорость утечки из-за классической диффузии . Вот почему современные конструкции, такие как ИТЭР , такие большие.

Напротив, системы инерционного удержания приближаются к полезным тройным значениям продукта за счет более высокой плотности и имеют исчезающе малое время удержания. В современных машинах, таких как NIF, исходная загрузка замороженного водородного топлива имеет меньшую плотность, чем плотность воды, которая увеличивается примерно в 100 раз до плотности свинца. В этих условиях скорость плавления настолько высока, что вся топливная загрузка подвергается плавлению за микросекунды, необходимые для того, чтобы тепло, выделяемое в результате реакций, разнесло топливо на части. Хотя современные машины ICF, такие как NIF, также чрезвычайно велики, это является функцией их «драйверной» конструкции, а не внутренним критерием конструкции самого процесса сплавления.

Захват энергии [ править ]

Было предложено несколько подходов к захвату энергии. Самый простой - нагреть жидкость. Большинство разработок сосредоточено на реакции DT, которая выделяет большую часть своей энергии в нейтроне. Нейтрон электрически нейтрален, он выходит из удержания. В большинстве таких конструкций он в конечном итоге улавливается толстым «одеялом» из лития, окружающим активную зону реактора. При ударе нейтрона высокой энергии литий может производить тритий, который затем возвращается в реактор. Энергия этой реакции также нагревает бланкет, который затем активно охлаждается рабочей жидкостью, а затем эта жидкость используется для привода обычных турбомашин.

Также было предложено использовать нейтроны для образования дополнительного топлива деления в бланкете ядерных отходов , концепция, известная как гибрид деления-синтеза . В этих системах выходная мощность увеличивается за счет событий деления, а мощность извлекается с использованием систем, подобных тем, что используются в обычных реакторах деления. ^[7]

Конструкции, в которых используются другие виды топлива, особенно реакция pB, выделяют гораздо больше энергии в виде заряженных частиц. В этих случаях возможны альтернативные системы отбора мощности, основанные на движении этих зарядов. Прямое преобразование энергии было разработано в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) в 1980-х годах как метод поддержания напряжения с использованием продуктов реакции синтеза. Это продемонстрировало эффективность захвата энергии 48 процентов. ^[8]

Методы [ править ]

Поведение плазмы [ править ]

Плазма - это ионизированный газ, проводящий электричество. ^{[9] : 10} В целом, это моделируется с помощью магнитогидродинамики , которая представляет собой комбинацию уравнений Навье – Стокса, определяющих жидкости, и уравнений Максвелла, определяющих поведение магнитных и электрических полей . ^[10] Fusion использует несколько свойств плазмы, в том числе:

• Самоорганизующаяся плазма проводит электрические и магнитные поля. Его движения могут генерировать поля, которые, в свою очередь, могут его содержать. ^[11]
• Диамагнитная плазма может генерировать собственное внутреннее магнитное поле. Это может отклонить внешнее магнитное поле, сделав его диамагнитным. ^[12]
• Магнитные зеркала могут отражать плазму, когда она движется от поля низкой плотности к полю высокой плотности. ^{[13] : 245}

Магнитное удержание [ править ]

• Токамак : наиболее развитый и хорошо финансируемый подход к термоядерной энергии. Этот метод перемещает горячую плазму в магнитно ограниченном торе с внутренним током. По завершении строительства ИТЭР станет крупнейшим токамаком в мире. По состоянию на апрель 2012 года примерно 215 экспериментальных токамаков были запланированы, выведены из эксплуатации или в настоящее время эксплуатируются (35) по всему миру. ^[14]
• Сферический токамак : также известен как сферический тор . Вариант токамака сферической формы.
• Стелларатор : закрученные кольца горячей плазмы. Стелларатор пытается создать естественный виток плазмы, используя внешние магниты, в то время как токамаки создают эти магнитные поля, используя внутренний ток. Стеллараторы были разработаны Лайманом Спитцером в 1950 году и имеют четыре конструкции: Торсатрон, Гелиотрон, Гелиак и Гелиас. Одним из примеров является Wendelstein 7-X , немецкий термоядерный аппарат, который произвел свою первую плазму 10 декабря 2015 года. Это самый большой в мире стелларатор ^[15], разработанный для исследования пригодности этого типа устройства для электростанции.
• Внутренние кольца: стеллараторы создают закрученную плазму с помощью внешних магнитов, а токамаки - с помощью тока, индуцированного в плазме. Несколько классов конструкций обеспечивают такую ​​скрутку с использованием проводников внутри плазмы. Ранние расчеты показали, что столкновения между плазмой и опорами для проводников будут удалять энергию быстрее, чем реакции синтеза могут заменить. Современные вариации, включая эксперимент с левитирующим диполем (LDX) , используют твердый сверхпроводящий тор, который магнитно левитирует внутри камеры реактора. ^[16]
• Магнитное зеркало : разработано Ричардом Ф. Постом и командами LLNL в 1960-х годах. ^[17] Магнитные зеркала отражали горячую плазму назад и вперед по прямой. Вариации включали тандемное зеркало , магнитную бутылку и биконический выступ . ^[18] Ряд хорошо финансируемых, больших, зеркальных машин был построен правительством США в 1970-х и 1980-х годах, в основном в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса . ^[19] Однако расчеты 1970-х годов показали, что маловероятно, что они когда-либо будут коммерчески полезны.
• Бугристый тор : несколько магнитных зеркал расположены встык в тороидальном кольце. Любые ионы топлива, которые выходят из одного, удерживаются в соседнем зеркале, что позволяет поднять давление плазмы на произвольное значение без потерь. Экспериментальная установка, то ЭЛМО B umpy T Orus или EBT был построен и испытан в Oak Ridge National Laboratory в 1970е годы.
• Конфигурация с обращенным полем : это устройство удерживает плазму в самоорганизованной квазистабильной структуре; где движение частицы создает внутреннее магнитное поле, которое затем захватывает себя. ^[20]
• Сферомак : очень похож на конфигурацию с перевернутым полем, полустабильная плазменная структура, созданная с использованием собственного магнитного поля плазмы. Сферомак имеет как тороидальное, так и полоидальное поля, в то время как конфигурация с обратным полем не имеет тороидального поля. ^[21]
• Пинч с обращенным полем : здесь плазма движется внутри кольца. Имеет внутреннее магнитное поле. Двигаясь из центра этого кольца, магнитное поле меняет направление на противоположное.

Инерционное удержание [ править ]

• Непрямое воздействие : в этом методе лазеры нагревают структуру, известную как Hohlraum, которая становится настолько горячей, что начинает излучать огромное количество рентгеновского света. Эти рентгеновские лучи нагревают маленькую топливную таблетку, заставляя ее схлопнуться внутрь, чтобы сжать топливо. Самая крупная система, использующая этот метод, - это National Ignition Facility , за которым следует Laser Mégajoule . ^[22]
• Прямой привод: разновидность технологии ICF, при которой лазеры воздействуют непосредственно на топливную таблетку. Известные эксперименты с прямым приводом были проведены в Лаборатории лазерной энергетики и на установках GEKKO XII . Хорошие имплозии требуют топливных таблеток почти идеальной формы, чтобы генерировать симметричную ударную волну , направленную внутрь, которая создает плазму высокой плотности.
• Быстрое зажигание: в этом методе используются два лазерных импульса. Первый взрыв сжимает термоядерное топливо, а второй импульс высокой энергии зажигает его. С 2019 года ^{[Обновить]}этот метод больше не используется для производства энергии из-за ряда неожиданных проблем. ^[23]
• Магнито-инерционный синтез или инерционный синтез с намагниченным лайнером : он сочетает в себе лазерный импульс с магнитным пинчем. Пинч-сообщество называет это инерционным синтезом намагниченных лайнеров, в то время как сообщество ICF называет его магнито-инерционным синтезом. ^[24]
• Пучки тяжелых ионов Есть также предложения по осуществлению термоядерного синтеза с инерционным удержанием с использованием ионных пучков вместо лазерных. ^[25] Основное отличие состоит в том, что пучок имеет импульс, обусловленный массой, а лазеры - нет. Однако, учитывая то, что было изучено с помощью лазерных устройств, кажется маловероятным, что ионные пучки могут быть сфокусированы как в пространстве, так и во времени в соответствии с точными потребностями ICF.
• Z-машина Уникальный подход к ICF - это Z-машина, которая пропускает через тонкие вольфрамовые проволоки мощный электрический ток, нагревая их до рентгеновских лучей. Как и в случае с косвенным приводом, эти рентгеновские лучи затем сжимают топливную капсулу.

Магнитные или электрические зажимы [ править ]

• Z-пинч : этот метод пропускает через плазму сильный ток (в направлении оси z). Ток создает магнитное поле, которое сжимает плазму до условий термоядерного синтеза. Щипки были первым методом искусственного управляемого термоядерного синтеза. ^{[26] [27]} Однако позже было обнаружено, что z-пинчу присуща нестабильность, которая ограничивает его сжатие и нагрев до значений, слишком низких для практического синтеза, и самая большая такая машина, британская ZETA , была последним крупным экспериментом. такого рода. Исследование проблем Z-пинча привело к созданию токамака. Позже, возможно, более жизнеспособные варианты конструкции включают фокус плотной плазмы (DPF).
• Тета-пинч: этот метод направляет ток вокруг плазменного столба в тета-направлении. Это вызывает магнитное поле, бегущее по центру плазмы, а не вокруг него. Раннее устройство тета-пинча Сцилла было первым, кто убедительно продемонстрировал синтез, но более поздние исследования показали, что ему присущи ограничения, которые делали его неинтересным для производства энергии.
• Z-пинч, стабилизированный сдвиговым потоком: Исследования, проведенные в Вашингтонском университете под руководством профессора Ури Шумлака, изучали использование стабилизации сдвигового потока для сглаживания нестабильности реакторов Z-пинча. Это включает ускорение нейтрального газа вдоль оси пинча с использованием нескольких экспериментальных машин, таких как экспериментальные реакторы FuZE и Zap Flow Z-Pinch. ^[28] В 2017 году Шумлак стал соучредителем частной компании Zap Energy, чтобы попытаться коммерциализировать технологию производства электроэнергии. ^{[29] [30] [31]}
• Винтовой зажим: этот метод сочетает тета- и z-зажим для улучшения стабилизации. ^[32]

Инерционное электростатическое удержание [ править ]

• Фузор : этот метод использует электрическое поле для нагрева ионов до условий синтеза. В машине обычно используются две сферические клетки, катод внутри анода, внутри вакуума. Эти машины не считаются жизнеспособным подходом к чистой мощности из-за их высокой проводимости и излучения . ^[33] потери. Их достаточно просто построить, чтобы любители сливали атомы с их помощью. ^[34]
• Polywell : эта конструкция пытается объединить магнитное удержание с электростатическими полями, чтобы избежатьпотерь проводимости, создаваемых клеткой. ^[35]

Другое [ править ]

• Синтез намагниченной мишени : этот метод удерживает горячую плазму с помощью магнитного поля и сжимает ее с помощью инерции. Примеры включают установку LANL FRX-L, ^[36] General Fusion и эксперимент с плазменным лайнером. ^[37]
• Кластерное слияние с ударом. Микроскопические капли тяжелой воды с большой скоростью ускоряются в цель или друг в друга. Исследователи из Брукхейвена сообщили о положительных результатах, которые позже были опровергнуты дальнейшими экспериментами. Эффекты слияния действительно возникали из-за загрязнения капель.
• Неконтролируемый: синтез был инициирован человеком с использованием неконтролируемых ядерных взрывов для зажигания так называемых водородных бомб. Ранние предложения по термоядерной энергии включали использование бомб для инициирования реакции. См. Также Project PACER .
• Слияние лучей: луч частиц высокой энергии может быть запущен в другой луч или цель, и произойдет слияние. Это использовалось в 1970-х и 1980-х годах для изучения сечений реакций синтеза при высоких энергиях. ^[3] Однако лучевые системы нельзя использовать для электростанции, потому что для сохранения когерентности луча требуется гораздо больше энергии, чем это может быть получено при синтезе.
• Пузырьковый синтез : это была термоядерная реакция, которая должна была происходить внутри чрезвычайно больших схлопывающихся пузырьков газа, созданных во время акустической кавитации жидкости. ^[38] Такой подход был дискредитирован.
• Холодный синтез : это гипотетический тип ядерной реакции, которая может происходить при комнатной температуре или около нее. Холодный синтез дискредитирован и получил репутацию патологической науки . ^[39]
• Мюонный катализ : Этот подход заменяет электроны в двухатомных молекулах из изотопов из водорода с мюонов - значительно более массивные частицы с тем же электрическим зарядом . Их большая масса приводит к тому, что ядра сближаются настолько, что сильное взаимодействие может вызвать слияние. ^[40] В настоящее время для производства мюонов требуется больше энергии, чем можно получить в результате синтеза, катализируемого мюонами. Если не решить эту проблему, синтез с использованием мюонов нецелесообразен для производства электроэнергии. ^[41]

Общие инструменты [ править ]

Общие инструменты - это подходы, оборудование и механизмы, которые общеприняты и используются при нагреве плавлением, измерениях и производстве энергии. ^[42]

Отопление [ править ]

Газ нагревается до образования плазмы, достаточно горячей для начала термоядерного синтеза. Исследован ряд схем отопления. При аннигиляции антипротонов теоретически некоторое количество антипротонов, введенных в массу термоядерного топлива, может вызывать термоядерные реакции. Эта возможность в качестве метода движения космического корабля, известного как ядерная импульсная тяга , катализируемая антивеществом , была исследована в Университете штата Пенсильвания в связи с предлагаемым проектом AIMStar .

При электростатическом нагреве электрическое поле может действовать на заряженные ионы или электроны, нагревая их. ^[43] При магнитном пересоединении, когда плазма в объеме становится действительно плотной, она может начать изменять электромагнитные свойства этого объема. Это может привести к соединению двух магнитных полей. Это известно как магнитное пересоединение. Повторное соединение помогает синтезу, потому что оно мгновенно сбрасывает огромное количество энергии в плазму, быстро нагревая ее. Ионы могут нагреваться до 45% энергии магнитного поля. ^{[44] [45]}

С помощью магнитных колебаний в магнитные катушки можно подавать различные электрические токи, чтобы нагреть плазму, заключенную в магнитной стенке. ^[46]

При магнитном пересоединении, когда плазма в объеме становится действительно плотной, она может начать изменять электромагнитные свойства этого объема. Это может привести к соединению двух магнитных полей. Это известно как магнитное пересоединение. Повторное соединение помогает синтезу, потому что оно мгновенно сбрасывает огромное количество энергии в плазму, быстро нагревая ее. Ионы могут нагреваться до 45% энергии магнитного поля. ^{[44] [45]}

При инжекции нейтрального пучка внешний источник водорода ионизируется и ускоряется электрическим полем, чтобы сформировать заряженный пучок, который просвечивается через источник нейтрального газообразного водорода в направлении плазмы, которая сама ионизируется и удерживается в реакторе магнитным полем. Часть промежуточного газообразного водорода ускоряется по направлению к плазме за счет столкновений с заряженным пучком, оставаясь при этом нейтральным: этот нейтральный пучок, таким образом, не подвержен влиянию магнитного поля и поэтому проходит через него в плазму. Оказавшись внутри плазмы, нейтральный луч передает энергию плазме посредством столкновений, в результате которых он становится ионизированным и, таким образом, удерживается магнитным полем, тем самым нагревая и заправляя реактор за одну операцию. Остальная часть заряженного пучка отклоняется магнитными полями на охлаждаемые отводы пучка.^[47]

При радиочастотном нагреве к плазме прикладывается радиоволна, заставляющая ее колебаться. Это в основном то же самое, что и микроволновая печь . Это также известно как электронно-циклотронный резонансный нагрев или диэлектрический нагрев . ^[48]

Измерение [ править ]

Был исследован ряд схем измерения. В технике магнитной петли петля из проволоки вставляется в магнитное поле. Когда поле проходит через петлю, возникает ток. Ток измеряется и используется для определения общего магнитного потока, проходящего через этот контур. Это было использовано на эксперименте National Compact стеллараторе , ^[49] Polywell , ^[50] и LDX машин. Также можно использовать зонд Ленгмюра, металлический объект, помещенный в плазму. К нему прикладывается потенциал, придающий ему положительное или отрицательное напряжение относительно окружающей плазмы. Металл собирает заряженные частицы, протягивая ток. При изменении напряжения изменяется и ток. Это делаетIV Кривая . ВАХ может использоваться для определения локальной плотности, потенциала и температуры плазмы. ^[51]

При томсоновском рассеянии свет рассеивается из плазмы. Этот свет можно обнаружить и использовать для воссоздания поведения плазмы. Этот метод можно использовать для определения его плотности и температуры. Обычно в удержании инерциального , ^[52] Токамаки , ^[53] и fusors . В системах ICF это можно сделать, направив второй луч в золотую фольгу, прилегающую к цели. Это делает рентгеновские лучи, которые рассеивают или проходят через плазму. В токамаках это может быть сделано с помощью зеркал и детекторов для отражения света в плоскости (два измерения) или по линии (одно измерение).

Детекторы нейтронов также могут использоваться, поскольку синтез дейтерия или трития производит нейтроны. Нейтроны взаимодействуют с окружающим веществом способами, которые можно обнаружить. Существует несколько типов нейтронных детекторов, которые могут регистрировать скорость образования нейтронов во время реакций синтеза. Они являются важным инструментом для демонстрации успеха. ^{[54] [55]}

Могут использоваться детекторы рентгеновского излучения. Вся плазма теряет энергию из-за излучения света. Это охватывает весь спектр: видимое, инфракрасное, УФ и рентгеновское излучение. Это происходит каждый раз, когда частица меняет скорость по любой причине. ^[56] Если причиной является отклонение магнитным полем, излучение представляет собой циклотронное излучение на низких скоростях и синхротронное излучение на высоких скоростях. Если причиной является отклонение другой частицей, плазма излучает рентгеновское излучение, известное как тормозное излучение. Рентгеновские лучи бывают жесткими и мягкими в зависимости от их энергии. ^[57]

Производство энергии [ править ]

Было предложено использовать паровые турбины для преобразования тепла из термоядерной камеры в электричество. ^[58] Тепло передается рабочей жидкости, которая превращается в пар, приводящий в действие электрические генераторы.

Нейтронные бланки Синтез дейтерия и трития генерирует нейтроны . Это зависит от метода (НИФ имеет запись 3E14 нейтронов в секунду ^[59] в то время как типичный Fusor производит 1E5-1E9 нейтронов в секунду). Было предложено использовать эти нейтроны как способ регенерации отработавшего топлива деления ^[60] или как способ воспроизводства трития с использованием бланкета-размножителя, состоящего из жидкого лития, или, как в более поздних конструкциях реакторов, гелиевого охлаждаемого галечного слоя, состоящего из лития подшипников керамические камешки изготовлены из материалов , таких как литий - титанат , лития ортосиликат или смеси этих фаз. ^[61]

Прямое преобразование. Это метод, при котором кинетическая энергия частицы преобразуется в напряжение . ^[17] Впервые это было предложено Ричардом Ф. Постом в связи с магнитными зеркалами в конце шестидесятых. Это также было предложено для конфигураций с измененным полем . Процесс берет плазму, расширяет ее и преобразует большую часть случайной энергии продуктов термоядерного синтеза в направленное движение. Затем частицы собираются на электродах при различных высоких электрических потенциалах. Этот метод продемонстрировал экспериментальную эффективность 48 процентов. ^[62]

Заключение [ править ]

Заключение относится ко всем условиям, необходимым для того, чтобы плазма оставалась плотной и горячей достаточно долго для термоядерного синтеза. Вот несколько общих принципов.

• Равновесие : силы, действующие на плазму, должны быть сбалансированы для сдерживания. Единственным исключением является инерционное удержание , когда соответствующая физика должна происходить быстрее, чем время разборки.
• Стабильность : плазма должна быть сконструирована так, чтобы возмущения не приводили к ее разложению.
• Транспорт или проводимость : потеря материала должна быть достаточно медленной. ^[4] Плазма уносит с собой энергию, поэтому быстрая потеря материала нарушит баланс мощности любого оборудования. Материал может быть потеряно транспортом в различные регионы или проводимости через твердые или жидкие.

Чтобы произвести самоподдерживающийся синтез, энергия, выделяемая в результате реакции (или, по крайней мере, ее часть), должна использоваться для нагрева новых ядер-реагентов и поддержания их в горячем состоянии достаточно долго, чтобы они также вступали в реакции синтеза.

Неограниченный [ править ]

Первый человек производства, крупномасштабная реакция синтеза была испытанием водородной бомбы , Иви Майк , в 1952 году В рамках PACER проекта, он был когда - то предложил использовать водородные бомбы в качестве источника энергии, взрывая их в кавернах а затем вырабатывать электроэнергию из произведенного тепла, но вряд ли когда-либо будет построена такая электростанция.

Магнитное удержание [ править ]

Магнитное зеркало [ править ]

Одним из примеров магнитного удержания является эффект магнитного зеркала . Если частица следует за линией поля и входит в область с более высокой напряженностью поля, частицы могут отразиться. Есть несколько устройств, которые пытаются использовать этот эффект. Самыми известными были машины с магнитным зеркалом, представлявшие собой серию больших и дорогих устройств, построенных в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса с 1960-х до середины 1980-х годов. ^[63] Некоторые другие примеры включают магнитные бутылки и биконический выступ . ^[64] Поскольку зеркальные машины были прямыми, они имели некоторые преимущества перед кольцевыми. Во-первых, зеркала было проще конструировать и обслуживать, а во-вторых, прямое преобразование.захват энергии было проще реализовать. ^[8] Поскольку ограниченность, достигнутая в экспериментах, была плохой, от этого подхода в значительной степени отказались, за исключением конструкции поливарны. ^[65]

Магнитные петли [ править ]

Другой пример магнитного удержания - изгиб силовых линий обратно на самих себя, либо по кругу, либо, чаще, на вложенных тороидальных поверхностях. Наиболее развитой системой этого типа является токамак , за которым следует стелларатор , за которым следует пинч с обратным полем . Компактные тороиды , особенно конфигурация с обратным полем и сферомак , пытаются объединить преимущества тороидальных магнитных поверхностей с преимуществами односвязной (нетороидальной) машины, что приводит к механически более простой и меньшей площади удержания.

Инерционное удержание [ править ]

Инерционное удержание - это использование быстро взрывающейся оболочки для нагрева и удержания плазмы. Оболочка взрывается с помощью прямого лазерного излучения (прямой привод) или вторичного рентгеновского излучения (непрямой привод) или пучков тяжелых ионов. Теоретически синтез с использованием лазеров будет осуществляться с использованием крошечных топливных шариков, которые взрываются несколько раз в секунду. Чтобы вызвать взрыв, гранула должна быть сжата с помощью энергетических лучей примерно до 30-кратной плотности твердого тела. Если используется прямой привод - лучи фокусируются непосредственно на грануле - это в принципе может быть очень эффективным, но на практике трудно получить необходимую однородность. ^{[66] : 19-20} Альтернативный подход, непрямой привод, использует лучи для нагрева оболочки, а затем оболочка излучает рентгеновские лучи., которые затем взорвали гранулу. Лучи обычно являются лазерными, но все пучки тяжелых и легких ионов и пучки электронов были исследованы. ^{[66] : 182-193}

Электростатическое удержание [ править ]

Существуют также термоядерные устройства с электростатическим удержанием . Эти устройства удерживают ионы с помощью электростатических полей. Самый известный из них - фузор . Это устройство имеет катод внутри клетки анодной проволоки. Положительные ионы летят к отрицательной внутренней клетке и при этом нагреваются электрическим полем. Если они не попадут во внутреннюю клетку, они могут столкнуться и взорваться. Однако ионы обычно попадают на катод, вызывая недопустимо высокие потери проводимости . Кроме того, скорость синтеза в фьюзорах очень низкая из-за конкурирующих физических эффектов, таких как потеря энергии в виде светового излучения. ^[67]Были предложены конструкции, позволяющие избежать проблем, связанных с клеткой, путем создания поля с использованием ненейтрального облака. Они включают в себя плазменные колебательное устройство, ^[68] магнитно-экранированная сетка , A загон ловушки , то Polywell , ^[69] и концепция пилота F1 катода. ^[70] Однако технология относительно незрелая, и многие научные и инженерные вопросы остаются.

Топливо [ править ]

Путем выстрела пучков частиц по мишеням были протестированы многие реакции синтеза, в то время как в качестве топлива использовались легкие элементы, такие как изотопы водорода - протий , дейтерий и тритий . ^[3] Для реакции дейтерия и гелия-3 требуется гелий-3, изотоп гелия, настолько дефицитный на Земле, что его придется добывать за пределами Земли или производить с помощью других ядерных реакций. Наконец, исследователи надеются провести реакцию протия и бора-11, потому что она не производит напрямую нейтронов, хотя побочные реакции могут. ^[71]

Дейтерий, тритий [ править ]

Самая простая ядерная реакция при самой низкой энергии - это D + T :

2 1D + 3 1Т → 4 2Он (3,5 МэВ) + 1 0п (14,1 МэВ)

Эта реакция широко используется в исследовательских, промышленных и военных приложениях, обычно как удобный источник нейтронов. Дейтерий - это естественный изотоп водорода, который широко доступен. Большое массовое соотношение изотопов водорода облегчает их разделение по сравнению со сложным процессом обогащения урана . Тритий - это природный изотоп водорода, но поскольку его период полураспада составляет 12,32 года, его трудно найти, хранить, производить и он стоит дорого. Следовательно, цикл дейтерий-тритий топлива требует разведения из трития из лития с использованием одной из следующих реакций:

¹
₀п
+ ⁶
₃Ли
→ ³
₁Т
+ ⁴
₂Он

¹
₀п
+ ⁷
₃Ли
→ ³
₁Т
+ ⁴
₂Он
+ ¹
₀п

Реагирующий нейтрон доставляется реакцией синтеза DT, показанной выше, и той, которая дает наибольший выход энергии. Реакция с ⁶ Li является экзотермической , что дает реактору небольшой выигрыш в энергии. Реакция с ⁷ Li является эндотермической, но нейтрон не расходуется. По крайней мере, некоторые реакции размножения нейтронов необходимы, чтобы заменить нейтроны, потерянные из-за поглощения другими элементами. Ведущими кандидатами в материалы для размножения нейтронов являются бериллий и свинец, однако приведенная выше реакция ⁷ Li также помогает поддерживать высокую популяцию нейтронов. Природный литий - это в основном ⁷ Li, однако он имеет низкое поперечное сечение образования трития по сравнению с⁶ Li, поэтому в большинстве конструкций реакторов используются бланкеты-размножители с обогащенным ⁶ Li.

Термоядерной мощности DT обычно приписывают несколько недостатков:

1. Он производит значительное количество нейтронов, которые приводят к нейтронной активации материалов реактора. ^{[72] : 242}
2. Только около 20% выработки энергии термоядерного синтеза появляется в виде заряженных частиц, а остальная часть уносится нейтронами, что ограничивает возможности применения методов прямого преобразования энергии. ^[73]
3. Это требует обращения с радиоизотопом трития. Как и водород, тритий трудно удерживать, и он может вытечь из реакторов в некотором количестве. По некоторым оценкам, это может означать довольно большой выброс радиоактивности в окружающую среду. ^[74]

Поток нейтронов, ожидаемый в коммерческом термоядерном реакторе DT, примерно в 100 раз больше, чем поток нейтронов в современных энергетических реакторах деления, что создает проблемы для проектирования материалов . После серии испытаний DT в JET вакуумный сосуд оказался достаточно радиоактивным, поэтому в течение года после испытаний требовалось удаленное обращение. ^[75]

В производственных условиях нейтроны будут использоваться для реакции с литием в контексте бланкета-размножителя, содержащего литиевые керамические гальки или жидкий литий, чтобы создать больше трития. Это также вкладывает энергию нейтронов в литий, которая затем передается для производства электроэнергии. Реакция поглощения нейтронов литием защищает внешние части реактора от потока нейтронов. В более новых конструкциях, в частности, в усовершенствованном токамаке, литий внутри активной зоны реактора является ключевым элементом конструкции. Плазма напрямую взаимодействует с литием, предотвращая проблему, известную как «переработка». Преимущество этой конструкции было продемонстрировано в эксперименте с литиевым токамаком .

Дейтерий [ править ]

Это вторая по легкости реакция синтеза, в которой происходит слияние двух ядер дейтерия. У реакции есть две ветви, которые происходят с почти равной вероятностью:

Д + Д	→ Т	+ 1 ч
Д + Д	→ 3 Он	+ п

Эта реакция также часто встречается в исследованиях. Оптимальная энергия для инициирования этой реакции составляет 15 кэВ, что лишь немного выше, чем оптимальная для реакции DT. Первая ветвь не производит нейтронов, но производит тритий, так что реактор DD не будет полностью свободен от трития, даже если он не требует ввода трития или лития. Если не удастся быстро удалить тритоны, большая часть произведенного трития будет сожжена перед выходом из реактора, что уменьшит обращение с тритоном, но приведет к образованию большего количества нейтронов, некоторые из которых очень энергичны. Нейтрон из второй ветви имеет энергию всего 2,45 МэВ (0,393 пДж), тогда как нейтрон из реакции DT имеет энергию 14,1 МэВ (2,26 пДж), что приводит к более широкому диапазону образования изотопов и материальному ущербу.Когда тритоны удаляются быстро, позволяя³ He реагировать, топливный цикл называется "синтез с подавлением трития". ^[76] Удаленный тритий распадается до ³ He с периодом полураспада 12,5 года. Благодаря рециркуляции ³ He, полученного при распаде трития, обратно в термоядерный реактор, термоядерный реактор не требует материалов, устойчивых к быстрым нейтронам с энергией 14,1 МэВ (2,26 пДж).

Предполагая полное выгорание трития, снижение доли энергии термоядерного синтеза, переносимой нейтронами, составило бы лишь около 18%, так что основное преимущество топливного цикла DD состоит в том, что не потребуется воспроизводство трития. Другими преимуществами являются независимость от литиевых ресурсов и несколько более мягкий нейтронный спектр. Недостатком DD по сравнению с DT является то, что время удержания энергии (при заданном давлении) должно быть в 30 раз больше, а производимая мощность (при заданном давлении и объеме) будет в 68 раз меньше. ^{[ необходима цитата ]}

Предполагая полное удаление трития и рециркуляцию ³ He, нейтроны переносят только 6% энергии синтеза. DD-синтез с подавлением трития требует удержания энергии в 10 раз дольше, чем DT, и температуры плазмы в два раза выше. ^[77]

Дейтерий, гелий-3 [ править ]

Подход второго поколения к управляемой термоядерной энергии включает сочетание гелия-3 ( ³ He) и дейтерия ( ² H):

D + 3 He

→ 4 Он

+ 1 ч

Эта реакция дает ядро ​​гелия-4 ( ⁴ He) и протон высокой энергии. Как и в случае p - ¹¹ B безнейтронных слитых топливного цикла, большая часть энергии реакции выделяются в виде заряженных частиц, снижая активацию корпуса реактора и , возможно , что позволяет более эффективно сбор энергии ( с помощью любого из нескольких спекулятивных технологий). ^[78] На практике DD побочные реакции производят значительное число нейтронов, что приводит к р - ¹¹ B является предпочтительным циклом для безнейтронных слияний. ^[78]

Протон, бор-11 [ править ]

Как проблемы материаловедения, так и проблемы нераспространения ядерного оружия значительно уменьшатся, если будет достигнут анейтронный синтез . Теоретически наиболее реактивным a-нейтронным термоядерным топливом является ³ He. Однако для получения разумных количеств ³ He потребуются крупномасштабные операции по добыче полезных ископаемых на Луне или в атмосфере Урана или Сатурна, что создает другие, весьма значительные технические трудности. Следовательно, наиболее перспективным кандидатом в топливо для такого синтеза является синтез легко доступного водорода-1 (то есть протона ) и бора . Их синтез не выделяет нейтронов, но производит энергичные заряженные альфа (гелиевые) частицы, энергия которых может быть напрямую преобразована в электрическую энергию:

p + ¹¹ B → 3  ⁴ He

При разумных предположениях побочные реакции приведут к тому, что нейтронами будет переноситься только около 0,1% мощности термоядерного синтеза ^{[79] : 177-182,} что означает, что рассеяние нейтронов не используется для передачи энергии, а активация материала снижается в несколько тысяч раз. К сожалению, оптимальная температура для этой реакции 123 кэВ ^[80] почти в десять раз выше, чем для реакций с чистым водородом, а ограничение энергии должно быть в 500 раз лучше, чем требуется для реакции DT. Кроме того, удельная мощность в 2500 раз ниже, чем у DT, хотя на единицу массы топлива она все же значительно выше, чем у реакторов деления.

Поскольку ограничительные свойства традиционных подходов к термоядерному синтезу, такие как токамак и синтез лазерных гранул, незначительны, большинство предложений по аневтронному слиянию основаны на радикально различных концепциях ограничения, таких как Polywell и фокус плотной плазмы . В 2013 году исследовательская группа под руководством Кристин Лабон из Политехнической школы в Палезо, Франция, сообщила о новом рекорде скорости синтеза для протонно-борного синтеза: примерно 80 миллионов термоядерных реакций в течение 1,5 наносекундного лазерного огня, что в 100 раз больше, чем в предыдущем случае протонного синтеза. -борные эксперименты. ^{[81] [82]}

Выбор материала [ править ]

Стабильность конструкционных материалов во всех ядерных реакторах является критической проблемой. ^[83] Материалы, которые могут выдержать высокие температуры и нейтронную бомбардировку термоядерного реактора, считаются ключом к успеху разработки ядерных термоядерных энергетических систем. ^{[84] [83]} Основными проблемами являются условия, создаваемые плазмой, проблема нейтронной деградации поверхностей стенок и, таким образом, проблема условий поверхности стенок плазмы. ^{[85] [86]} Кроме того, снижение проницаемости для водорода рассматривается как решающее значение для рециркуляции водорода ^[87] и контроля запасов трития. ^[88]Материалы с самой низкой объемной растворимостью водорода и коэффициентом диффузии являются оптимальными кандидатами в качестве стабильных барьеров проникновения. Помимо нескольких конкретных чистых металлов, таких как вольфрам и бериллий, были исследованы карбиды, плотные оксиды и нитриды. Исследования показали, что методы нанесения покрытия для создания хорошо приклеиваемых и идеальных барьеров не менее важны для выбора материала. Наиболее привлекательными являются методы, в которых рекламный слой формируется только путем окисления. В альтернативных методах используются определенные газовые среды с сильными магнитными и электрическими полями. Оценка достигнутых барьерных характеристик представляет собой дополнительную проблему. Классический метод определения скорости газопроницаемости мембран с покрытием продолжает оставаться наиболее надежным вариантом для определения эффективности водородопроницаемого барьера (HPB).^[88]

Соображения относительно сдерживания плазмы [ править ]

Даже в небольших масштабах производства плазмы материал защитного устройства будет подвергаться интенсивному взрыву вещества и энергии. Конструкции по удержанию плазмы должны учитывать:

• Цикл нагрева и охлаждения с тепловой нагрузкой до 10 МВт / м ² .
• Нейтронное излучение , которое со временем приводит к нейтронной активации и охрупчиванию .
• Ионы с высокой энергией уходят от десятков до сотен электронвольт .
• Альфа-частицы выходят на миллионы электронвольт .
• Электроны уходят с высокой энергией.
• Световое излучение (ИК, видимое, УФ, рентгеновское).

В зависимости от подхода эти эффекты могут быть выше или ниже, чем у типичных реакторов деления, таких как реактор с водой под давлением (PWR). ^{[89] По} одной оценке, уровень излучения в 100 раз превышает уровень излучения типичного реактора PWR. ^{[ необходима цитата ]} Необходимо выбрать или разработать материалы, которые могут выдерживать эти основные условия. Однако в зависимости от подхода могут быть другие соображения, такие как электрическая проводимость , магнитная проницаемость и механическая прочность. Также существует потребность в материалах, первичные компоненты и примеси которых не приводят к образованию долгоживущих радиоактивных отходов. ^[83]

Прочность условий поверхности плазменной стенки [ править ]

Ожидается, что при длительном использовании каждый атом в стенке будет поражен нейтроном и смещен примерно сто раз, прежде чем материал будет заменен. Нейтроны высоких энергий будут производить водород и гелий посредством различных ядерных реакций, которые имеют тенденцию образовывать пузыри на границах зерен и приводить к набуханию, образованию пузырей или охрупчиванию. ^[89]

Подборка материалов [ править ]

Можно выбрать либо материал с низким Z , например графит или бериллий , либо материал с высоким Z , обычно вольфрам с молибденом в качестве второго варианта. ^[88] Было также предложено использование жидких металлов (лития, галлия, олова), например, путем впрыскивания потоков толщиной 1–5 мм, текущих со скоростью 10 м / с на твердые подложки. ^{[ необходима цитата ]}

Если используется графит, общая скорость эрозии из-за физического и химического распыления будет много метров в год, поэтому следует полагаться на повторное осаждение распыленного материала. Место повторного осаждения не будет точно совпадать с местом распыления, поэтому скорость эрозии может быть недопустимой. Еще более серьезной проблемой является совместное осаждение трития с повторно нанесенным графитом. Запасы трития в слоях графита и пыли в реакторе могут быстро увеличиться до многих килограммов, что представляет собой бесполезную трату ресурсов и серьезную радиологическую опасность в случае аварии. Сообщество специалистов по термоядерным реакциям, похоже, считает, что графит, хотя и является очень привлекательным материалом для термоядерных экспериментов, не может быть основным материалом, обращенным к плазме(PFM) в промышленном реакторе. ^[83]

Скорость распыления вольфрама ионами плазменного топлива на порядки меньше, чем у углерода, а тритий гораздо меньше включается в переосажденный вольфрам, что делает этот выбор более привлекательным. С другой стороны, примеси вольфрама в плазме гораздо более разрушительны, чем примеси углерода, и самораспыление вольфрама может быть высоким, поэтому необходимо будет убедиться, что плазма, контактирующая с вольфрамом, не слишком горячая (несколько десятки эВ, а не сотни эВ). Вольфрам также имеет недостатки с точки зрения вихревых токов и плавления при аномальных явлениях, а также некоторые радиологические проблемы. ^[83]

Безопасность и окружающая среда [ править ]

Возможность аварии [ править ]

В отличие от ядерного деления , термоядерный синтез требует чрезвычайно точных и контролируемых параметров температуры, давления и магнитного поля для получения любой полезной энергии. Если реактор будет поврежден или потеряет хотя бы небольшую степень необходимого управления, реакции термоядерного синтеза и тепловыделение быстро прекратятся. ^[90] Кроме того, термоядерные реакторы содержат только небольшое количество топлива, которого достаточно, чтобы «гореть» в течение нескольких минут или, в некоторых случаях, микросекунд. Если их не заправить активно, реакции быстро прекратятся. Таким образом, термоядерные реакторы считаются невосприимчивыми к катастрофическому расплавлению. ^[91]

По тем же причинам в термоядерном реакторе не могут происходить побеги. Плазмы сгорают при оптимальных условиях, и любое существенное изменение будет просто погасить реакцию. Процесс реакции настолько тонкий, что такой уровень безопасности является неотъемлемым. Хотя ожидается, что плазма на термоядерной электростанции будет иметь объем 1000 кубических метров (35000 куб футов) или более, плотность плазмы низкая и обычно содержит только несколько граммов используемого топлива. ^[91]Если подача топлива закрыта, реакция прекращается в считанные секунды. Для сравнения, реактор деления обычно загружается топливом, достаточным на несколько месяцев или лет, и никакого дополнительного топлива для продолжения реакции не требуется. Именно это большое количество топлива приводит к возможности расплавления; ничего подобного не существует в термоядерном реакторе. ^[92]

В магнитном подходе сильные поля создаются в катушках, которые механически удерживаются на месте конструкцией реактора. Отказ этой конструкции может ослабить это напряжение и позволить магниту «взорваться» наружу. Серьезность этого события была бы аналогична любой другой промышленной аварии или гашению / взрыву аппарата МРТ , и его можно было бы эффективно остановить с помощью здания защитной оболочки, аналогичного тем, которые используются в существующих (делительных) ядерных генераторах. Инерционный подход с лазерным управлением, как правило, требует меньшего напряжения из-за увеличенного размера реакционной камеры. Хотя возможен отказ реакционной камеры, простое прекращение подачи топлива предотвратит любой вид катастрофического отказа. ^[93]

В большинстве конструкций реакторов жидкий водород используется как в качестве теплоносителя, так и в качестве метода преобразования паразитных нейтронов из реакции в тритий , который снова подается в реактор в качестве топлива. Водород легко воспламеняется, и в случае пожара водород, хранящийся на месте, может сгореть и улетучиться. В этом случае содержащийся в водороде тритий будет выброшен в атмосферу, создавая радиационный риск. Расчеты показывают, что при величине около 1 килограмма (2,2 фунта) общее количество трития и других радиоактивных газов на типичной электростанции было бы настолько маленьким, что к тому времени, когда они взорвались до периметра станции, они бы растворились до юридически приемлемых пределов. забор . ^[94]

Вероятность небольших промышленных аварий, включая локальный выброс радиоактивности и травмы персонала, оценивается как малая по сравнению с делением. Они будут включать случайные выбросы лития или трития или неправильное обращение с выведенными из эксплуатации радиоактивными компонентами самого реактора. ^[93]

Магнитная закалка [ править ]

Гашение - это ненормальное прекращение работы магнита, которое происходит, когда часть сверхпроводящей катушки переходит в нормальное ( резистивное ) состояние. Это может произойти , потому что поле внутри магнита слишком велико, то скорость изменения поля является слишком большой ( в результате чего вихревых токов и результирующее нагревание в матрице поддержки меди), или комбинация из двух.

Реже дефект магнита может вызвать закалку. Когда это происходит, это конкретное место подвергается быстрому джоулева нагреву от огромного тока, который повышает температуру окружающих областей. Это также переводит эти области в нормальное состояние, что приводит к большему нагреву в цепной реакции. Весь магнит быстро приходит в норму (это может занять несколько секунд, в зависимости от размера сверхпроводящей катушки). Это сопровождается громким хлопком, поскольку энергия магнитного поля преобразуется в тепло, и быстрое выкипание криогенного вещества.жидкость. Резкое уменьшение тока может привести к выбросам индуктивного напряжения в киловольтах и ​​возникновению дуги. Необратимые повреждения магнита случаются редко, но компоненты могут быть повреждены локальным нагревом, высоким напряжением или большими механическими силами.

На практике магниты обычно имеют предохранительные устройства для остановки или ограничения тока при обнаружении начала гашения. Если большой магнит подвергается гашению, инертный пар, образованный испаряющейся криогенной жидкостью, может представлять значительную опасность удушья для операторов из-за вытеснения пригодного для дыхания воздуха.

Большая часть сверхпроводящих магнитов в CERN «s Большой адронный коллайдер неожиданно гас во время пуско-наладочных в 2008 году, что требует замены ряда магнитов. ^[95]Для предотвращения потенциально деструктивных тушений сверхпроводящие магниты, которые образуют LHC, снабжены нагревателями с быстрым линейным изменением, которые активируются, когда событие тушения обнаруживается сложной системой тушения. Поскольку дипольные поворотные магниты соединены последовательно, каждая силовая цепь включает в себя 154 отдельных магнита, и в случае возникновения гашения вся объединенная накопленная энергия этих магнитов должна быть немедленно сброшена. Эта энергия передается в свалки, которые представляют собой массивные блоки металла, которые нагреваются до нескольких сотен градусов Цельсия - из-за резистивного нагрева - за считанные секунды. Хотя это и нежелательно, гашение магнитом является «довольно обычным явлением» во время работы ускорителя частиц. ^[96]

Сточные воды [ править ]

Естественный продукт реакции термоядерного синтеза - небольшое количество гелия , которое совершенно безвредно для жизни. Еще большее беспокойство вызывает тритий , который, как и другие изотопы водорода, трудно удерживать полностью. Во время нормальной работы некоторое количество трития будет постоянно выделяться. ^[93]

Хотя тритий является летучим и биологически активным, риск для здоровья, связанный с выбросом, намного ниже, чем у большинства радиоактивных загрязнителей, из-за короткого периода полураспада трития (12,32 года) и очень низкой энергии распада (~ 14,95 кэВ), а также потому, что он не накапливается биоаккумулируется (вместо этого выводится из организма в виде воды с биологическим периодом полураспада от 7 до 14 дней). ^[97] ИТЭР включает средства полного удержания трития. ^[98]

Управление отходами [ править ]

В общих чертах, термоядерные реакторы создают гораздо меньше радиоактивного материала, чем реакторы деления, материал, который они создают, менее опасен с биологической точки зрения, а радиоактивность «выгорает» в течение периода времени, который находится в пределах существующих инженерных возможностей для безопасного долгосрочного использования. хранение отходов. В конкретных условиях, за исключением случая безнейтронных слияний , ^{[99] [100]} большой поток нейтронов высоких энергий в реакторе делает конструкционные материалы радиоактивны. Радиоактивный инвентарь при останове может быть сопоставим с инвентаризацией реактора деления, но есть важные различия. Период полураспада радиоизотоповпроизведенных синтезом, как правило, меньше, чем от деления, так что запасы уменьшаются быстрее. В отличие от реакторов деления, отходы которых остаются радиоактивными в течение тысяч лет, большая часть радиоактивного материала в термоядерном реакторе будет самой активной зоной реактора, которая будет опасна в течение примерно 50 лет, и низкоактивными отходами еще 100 лет ^[101]. Хотя эти отходы будут значительно более радиоактивными в течение этих 50 лет, чем отходы деления, очень короткий период полураспада делает процесс очень привлекательным, так как обращение с отходами довольно простое. К 500 годам этот материал будет иметь такую ​​же радиотоксичность, как угольная зола . ^[94]

Кроме того, выбор материалов, используемых в термоядерном реакторе, менее ограничен, чем в конструкции деления, где требуется множество материалов для их конкретных нейтронных сечений . Это позволяет спроектировать термоядерный реактор с использованием материалов, специально выбранных для «низкой активации», материалов, которые нелегко становятся радиоактивными. Ванадий , например, станет гораздо менее радиоактивным, чем нержавеющая сталь . ^[102] Углеродные волокнистые материалы также обладают низкой степенью активации, прочностью и легкостью, и являются многообещающей областью исследований для лазерно-инерционных реакторов, где магнитное поле не требуется. ^[103]

Ядерное распространение [ править ]

Хотя в термоядерной энергии используется ядерная технология, совпадение с ядерным оружием будет ограниченным. На термоядерной электростанции может быть произведено огромное количество трития ; тритий используется в спусковом крючке водородных бомб и в современном ядерном оружии деления с форсированным двигателем , но он также может быть получен путем ядерного деления. Энергичные нейтроны из термоядерного реактора могут быть использованы для получения оружейного плутония или урана для атомной бомбы (например, путем трансмутации U ²³⁸ в Pu ²³⁹ или Th ²³² в U ²³³ ).

В исследовании, проведенном в 2011 году, оценивалась опасность трех сценариев: ^[104]

• Использование в маломасштабной термоядерной станции : в результате гораздо более высокого энергопотребления, рассеивания тепла и более узнаваемой конструкции по сравнению с центрифугами для обогащенного газа этот выбор будет намного легче обнаружить и, следовательно, неправдоподобным. ^[104]
• Модификации для производства оружейного материала на коммерческом объекте: производственный потенциал значительный. Но никакие воспроизводящие или делящиеся вещества, необходимые для производства оружейных материалов, вообще не должны присутствовать в гражданской термоядерной системе. Если эти материалы не экранированы, их можно обнаружить по их характеристическому гамма-излучению. Базовый редизайн может быть обнаружен с помощью регулярных проверок проектной информации. В (технически более осуществимом) случае твердотельных модулей бланкета-размножителя необходимо будет проверять поступающие компоненты на наличие плодородного материала ^{[104], в} противном случае плутоний для нескольких видов оружия может производиться каждый год. ^[105]
• В приоритете быстрое производство оружейного материала независимо от секретности:Самый быстрый способ производить материал, пригодный для использования в оружии, был замечен в модификации предшествующей гражданской термоядерной электростанции. В отличие от некоторых атомных электростанций, во время гражданского использования нет материалов, совместимых с оружием. Даже без необходимости скрытых действий для запуска производства этой модификации все равно потребуется около 2 месяцев и, по крайней мере, еще одна неделя, чтобы произвести значительную сумму для производства оружия. Этого времени было сочтено достаточно, чтобы обнаружить военное применение и отреагировать дипломатическими или военными средствами. Чтобы остановить производство, было бы достаточно военного уничтожения неизбежных частей объекта, за исключением самого реактора. Это вместе с искробезопасностью термоядерной энергии будет нести лишь низкий риск радиоактивного загрязнения. ^[104]

В другом исследовании делается вывод, что «[..] большие термоядерные реакторы - даже если они не предназначены для воспроизводства делящегося материала - могут легко производить несколько сотен кг плутония в год с высоким качеством оружия и очень низкими требованиями к исходным материалам». Было подчеркнуто, что реализация функций внутренней устойчивости к распространению может быть возможна только на этом этапе исследований и разработок. ^[105] Теоретические и вычислительные инструменты, необходимые для конструкции водородной бомбы, тесно связаны с инструментами, необходимыми для термоядерного синтеза с инерционным удержанием , но имеют очень мало общего с более научно разработанным термоядерным синтезом с магнитным удержанием .

Источник энергии [ править ]

Крупномасштабные реакторы, использующие нейтронно-физическое топливо (например, ИТЭР ) и производство тепловой энергии (на основе турбин), наиболее сопоставимы с мощностью деления с инженерной и экономической точки зрения. Как ядерные, так и термоядерные электростанции включают относительно компактный источник тепла, питающий обычную электростанцию ​​на базе паровой турбины, при этом производя достаточно нейтронного излучения, чтобы сделать активацию материалов станции проблематичной. Основное отличие состоит в том, что термоядерная энергия не производит высокоактивных радиоактивных отходов (хотя активированные материалы станции по-прежнему необходимо утилизировать). Есть некоторые идеи электростанций, которые могут значительно снизить стоимость или размер таких станций; однако исследования в этих областях не так развиты, как в токамаках .^{[106] [107]}

В термоядерной энергии обычно предлагается использовать дейтерий , изотоп водорода, в качестве топлива, а во многих современных конструкциях также используется литий . Если предположить, что выход энергии термоядерного синтеза равен глобальной выходной мощности 1995 г., составляющей около 100 Э Дж / год (= 1 × 10 ²⁰ Дж / год), и что она не увеличится в будущем, что маловероятно, тогда известные текущие запасы лития будут последние 3000 лет. Литий из морской воды просуществует 60 миллионов лет, а более сложный процесс синтеза с использованием только дейтерия будет иметь топливо на 150 миллиардов лет. ^[108] Чтобы представить это в контексте, 150 миллиардов лет - это почти в 30 раз больше, чем продолжительность жизни Солнца, ^[109] и более чем в 10 раз превышает предполагаемый возраст Вселенной.

Экономика [ править ]

Хотя термоядерная энергия все еще находится на ранней стадии разработки, значительные суммы вкладывались и продолжают вкладываться в исследования. В ЕС до конца 1990-х годов на исследования в области термоядерного синтеза было потрачено почти 10 миллиардов евро ^[110], а один только реактор ИТЭР представляет собой инвестиции в размере более двадцати миллиардов долларов и, возможно, еще десятки миллиардов, включая взносы натурой. ^{[111] [112]} В 2002 году было подсчитано, что до момента возможного внедрения производства электроэнергии с помощью ядерного синтеза, НИОКР потребуют дальнейшего продвижения на общую сумму около 60–80 миллиардов евро в течение примерно 50 лет (из которых € 20–30 миллиардов изнутри ЕС).^[113] В рамках Шестой рамочной программы Европейского союза наисследования ядерного синтезабыло выделено 750 миллионов евро (в дополнение к финансированию ИТЭР) по сравнению с 810 миллионами евро на исследования в области устойчивой энергетики, ^[114] благодарячему исследования в области термоядерной энергии намного опережают любые единая конкурирующая технология.

Размер инвестиций и временные рамки ожидаемых результатов означают, что до недавнего времени исследования термоядерного синтеза почти полностью финансировались государством. Однако за последние несколько лет ряд начинающих компаний, работающих в области термоядерной энергии, привлек более 1,5 миллиарда долларов с инвесторами, включая Джеффа Безоса , Питера Тиля и Билла Гейтса , а также институциональных инвесторов, включая Legal & General , и совсем недавно энергетические компании, такие как Equinor , Eni , Chevron , ^[115] и китайская ENN Group . ^[116]В сентябре 2019 года Bloomberg обнаружил, что над термоядерной энергией работают более двадцати частных компаний ^[117], как и базирующаяся в США ассоциация термоядерной промышленности . ^{[118] [119]}

Первоначальные сценарии, разработанные в 2000-х и начале 2010-х годов, обсуждали влияние коммерциализации термоядерной энергии на будущее человеческой цивилизации. ^[120] Используя историю освоения ядерных реакторов деления в качестве руководства, они рассматривали ИТЭР, а затем и ДЕМО, как предполагающий ввод в действие первого коммерческого термоядерного энергетического реактора около 2050 года, и изображают быстрое освоение ядерной энергии термоядерного синтеза, начиная с середины этого века. ^[120] Однако экономические препятствия на пути развития традиционной термоядерной энергии на базе токамаков традиционно считались огромными, поскольку основное внимание уделялось привлечению достаточных инвестиций для финансирования итераций прототипов реакторов токамаков. ^[121]

Более поздние сценарии видят инновации в вычислительной технике и материаловедении, ведущие к возможности разработки национальных или совместных затрат «экспериментальных установок для термоядерного синтеза» по разнообразным технологическим направлениям ^{[106] [107] [122],} например, британский сферический токамак для энергетики. Производство в период 2030-2040 гг. ^{[117] [118]} Это предполагает возможность достижения потенциала коммерциализации технологии компактных реакторов через подход, основанный на использовании парка электростанций, вскоре после этого. ^[123] Были представлены сценарии воздействия коммерциализации термоядерной энергии на будущее человеческой цивилизации. ^[120] ITER и более поздние версии DEMOпредполагается ввести в действие первый коммерческий ядерный термоядерный реактор к 2050 году. Используя это в качестве отправной точки и историю освоения ядерных реакторов деления в качестве ориентира, сценарий изображает быстрое использование ядерной термоядерной энергии, начиная с середины этого века. ^[120] Таким образом, возникли вопросы регулятора. В сентябре 2020 года Национальная академия наук США провела консультации с частными термоядерными компаниями, чтобы определить, как поддержать развитие национальной экспериментальной установки по термоядерному синтезу. В следующем месяце Министерство энергетики США, Комиссия по ядерному регулированию и Ассоциация термоядерной промышленности совместно организовали общественный форум для подготовки нормативной среды для коммерческого термоядерного синтеза. ^[115]

Геополитика [ править ]

Учитывая огромный потенциал термоядерного синтеза для преобразования мировой энергетики и, в последнее время, для управления изменением климата ^[119], термоядерная наука и разработка ИТЭР традиционно рассматривались как неотъемлемая часть долгосрочной миротворческой научной дипломатии , особенно в период холодная война и непосредственные периоды после окончания холодной войны. ^{[124] [98]} Однако недавние технологические разработки, ^[125] появление в частном секторе термоядерной промышленности и, таким образом, потенциал для создания прототипов коммерческих термоядерных реакторов в течение следующих двух десятилетий вызвали растущую озабоченность, связанную с интеллектуальной собственностью в области термоядерного синтеза, международным регулированием администрирование и глобальное лидерство;^[119] справедливое глобальное социально-экономическое развитие термоядерной энергии и потенциал для использования термоядерной энергии в качестве оружия с серьезными последствиями для геополитической стабильности. ^{[116] [126]}

События сентября и октября 2020 года привели к тому, что термоядерный синтез был описан как «новая космическая гонка». 24 сентября Палата представителей Соединенных Штатов одобрила программу исследований и коммерциализации термоядерной энергии в документе HR 4447, Закон о рабочих местах и ​​инновациях в чистой экономике. Раздел исследований в области термоядерной энергии включает в себя основанную на вехах программу государственно-частного партнерства с разделением затрат для частного термоядерного синтеза, которая была намеренно основана на программе НАСА COTS, положившей начало коммерческой космической отрасли . ^[115]

Преимущества [ править ]

Термоядерная энергия могла бы обеспечить больше энергии для данного веса топлива, чем любой энергопотребляющий источник энергии, используемый в настоящее время ^[127], а само топливо (в основном дейтерий ) в большом количестве присутствует в океане Земли: примерно 1 из 6500 атомов водорода в морской воде содержится в дейтерий. ^[128] Хотя это может показаться небольшой долей (около 0,015%), поскольку реакции ядерного синтеза намного более энергичны, чем химическое горение, а морская вода более доступна и более многочисленна, чем ископаемое топливо, синтез потенциально может удовлетворить мировые потребности в энергии для миллионы лет. ^{[129] [130]}

Энергия термоядерного синтеза может быть использована в межзвездном пространстве, где солнечная энергия недоступна. ^{[131] [132]}

История [ править ]

Ранние исследования [ править ]

Исследования ядерного синтеза начались в начале 20 века. В 1920 году британский физик Фрэнсис Уильям Астон обнаружил, что общий массовый эквивалент четырех атомов водорода тяжелее, чем полная масса одного атома гелия ( He-4 ), что подразумевало, что чистая энергия может быть высвобождена путем объединения атомов водорода вместе с образованием гелия. , и дал первые подсказки о механизме, с помощью которого звезды могут производить энергию в измеряемых количествах. В течение 1920-х годов Артур Стэнли Эддингтон стал одним из основных сторонников протон-протонной цепной реакции (реакции PP) как основной системы, управляющей Солнцем . ^[124]

Нейтроны от термоядерного синтеза были впервые обнаружены сотрудниками Эрнеста Резерфорда в Кембриджском университете в 1933 году. ^[133] Эксперимент был разработан Марком Олифантом и включал ускорение протонов по направлению к цели ^[134] при энергиях до 600 000 электрон-вольт. В 1933 году лаборатория Кавендиша получила в подарок от американского физико-химика Гилберта Н. Льюиса несколько капель тяжелой воды . Ускоритель использовался для стрельбы дейтронами тяжелых ядер водорода по различным целям. Работая с Резерфордом и другими, Олифант открыл ядра гелия-3.( гелионы ) и тритий ( тритоны ). ^{[135] [136] [137] [138]}

Теория была подтверждена Гансом Бете в 1939 году, показав, что бета-распад и квантовое туннелирование в ядре Солнца может преобразовать один из протонов в нейтрон и тем самым произвести дейтерий, а не дипротон. Затем дейтерий будет плавиться посредством других реакций, чтобы еще больше увеличить выход энергии. За эту работу Бете получила Нобелевскую премию по физике . ^[124]

Первый патент на термоядерный реактор был зарегистрирован в 1946 году ^[139] Управлением по атомной энергии Соединенного Королевства . Изобретателями были сэр Джордж Пэджет Томсон и Мозес Блэкман . Это был первый подробный анализ концепции Z-пинча . Начиная с 1947 года две британские группы провели небольшие эксперименты, основанные на этой концепции, и начали проводить серию все более крупных экспериментов. ^[124]

Первые термоядерные устройства [ править ]

Первым успешным искусственным термоядерным устройством было реактивное ядерное оружие, испытанное в 1951 году в ходе испытания « Парниковый объект». За этим последовало настоящее термоядерное оружие в Ivy Mike 1952 года , а первые практические образцы - в Castle Bravo 1954 года . Это был неконтролируемый синтез. В этих устройствах энергия, выделяемая при взрыве деления, используется для сжатия и нагрева термоядерного топлива, начиная реакцию термоядерного синтеза. Термоядерный синтез выделяет нейтроны . Эти нейтроныпопадает в окружающее топливо для деления, заставляя атомы распадаться на части намного быстрее, чем обычные процессы деления - почти мгновенно по сравнению. Это увеличивает эффективность бомб: обычное оружие деления разрывается на части прежде, чем будет использовано все топливо; Оружие синтеза / деления не имеет этого практического верхнего предела.

В 1949 году немец-эмигрант Рональд Рихтер предложил проект Huemul в Аргентине, объявив о положительных результатах в 1951 году. Они оказались фальшивыми, но вызвали значительный интерес к концепции в целом. В частности, это побудило Лаймана Спитцера начать рассмотрение способов решения некоторых из наиболее очевидных проблем, связанных с удержанием горячей плазмы, и, не зная об усилиях z-пинча, он разработал новое решение проблемы, известное как стелларатор . Спитцер подал заявку в Комиссию по атомной энергии США за финансированием для создания испытательного устройства. В этот период Джеймс Л. Таккоторый работал с британскими командами над z-pinch, представил концепцию своим новым коллегам в Национальной лаборатории Лос-Аламоса (LANL). Когда он услышал о предложениях Спитцера о финансировании, он подал заявку на создание собственной машины, « Возможноатрон» . ^[124]

Идея Спитцера получила финансирование, и он начал работу над стелларатором под кодовым названием Project Matterhorn. Его работа привела к созданию Принстонской лаборатории физики плазмы . Так вернулся в LANL и организовал местное финансирование для создания своей машины. К этому времени, однако, стало ясно, что все перехватывающие машины страдают от одних и тех же проблем, связанных с нестабильностью, и прогресс остановился. В 1953 году Так и другие предложили ряд решений проблем устойчивости. Это привело к разработке второй серии щипковых машин, возглавляемой британскими компаниями ZETA и Scepter . ^[124]

Спитцер планировал агрессивный проект разработки четырех машин: A, B, C и D. A и B были небольшими исследовательскими устройствами, C - прототипом силовой машины, а D - прототипом коммерческого устройства. . А работал без проблем, но даже к моменту использования В было ясно, что стелларатор также страдает от нестабильности и утечки плазмы. Прогресс по C замедлился, поскольку были предприняты попытки исправить эти проблемы. ^{[140] [141]}

В 1954 году Льюис Штраус , тогдашний председатель Комиссии по атомной энергии США (US AEC, предшественник Комиссии по ядерному регулированию США и Министерства энергетики США ), говорил о том, что электричество в будущем будет « слишком дешевым для измерения ». ^[142] Штраус, скорее всего, имел в виду водородный синтез ^[143], который тайно разрабатывался как часть проекта Шервуд.в то время, но заявление Штрауса было истолковано как обещание очень дешевой энергии от ядерного деления. Сама американская AEC за несколько месяцев до этого представила Конгрессу США гораздо более реалистичные показания относительно ядерного деления, прогнозируя, что «затраты могут быть снижены ... [до] ... примерно такими же, как стоимость электроэнергии из обычных источников. .. " ^[144]

К середине 1950-х годов стало ясно, что простые теоретические инструменты, используемые для расчета производительности всех термоядерных машин, просто не предсказывают их фактическое поведение. Машины неизменно истекали своей плазмой из зоны удержания со скоростью, намного превышающей прогнозируемую. В 1954 году Эдвард Теллер провел собрание исследователей термоядерного синтеза в Princeton Gun Club, недалеко от проекта Matterhorn (ныне известного как Project Sherwood.) основания. Теллер начал с того, что указал на проблемы, с которыми сталкиваются все, и предположил, что любая система, в которой плазма ограничена вогнутыми полями, обречена на неудачу. Присутствующие помнят, как он говорил что-то о том, что поля были похожи на резиновые ленты, и они пытались вернуться к прямой конфигурации всякий раз, когда мощность увеличивалась, выбрасывая плазму. Далее он сказал, что кажется, что единственный способ удержать плазму в стабильной конфигурации - это использовать выпуклые поля, конфигурацию «каспа». ^{[145] : 118}

Когда встреча завершилась, большинство исследователей быстро подготовили документы, в которых говорилось, почему опасения Теллера не относились к их конкретному устройству. Пинч-машины вообще не использовали магнитные поля таким образом, а у зеркала и стелларатора, казалось, были разные выходы. Вскоре за этим последовала статья Мартина Дэвида Крускала и Мартина Шварцшильда, в которой обсуждались щипковые машины, однако, которые продемонстрировали нестабильность этих устройств, присущую их конструкции. ^{[145] : 118}

Самым большим «классическим» зажимным устройством был ZETA , включающий все эти предлагаемые усовершенствования, начавший работу в Великобритании в 1957 году. В начале 1958 года Джон Кокрофт объявил, что синтез был достигнут в ZETA, и это объявление сделало заголовки во всем мире. . Когда физики в США выразили озабоченность по поводу претензий, они сначала были отклонены. Американские эксперименты вскоре продемонстрировали те же нейтроны, хотя измерения температуры показали, что они не могут быть результатом реакций синтеза. Позже было продемонстрировано, что нейтроны, наблюдаемые в Великобритании, принадлежат различным версиям тех же процессов нестабильности, которые преследовали более ранние машины. Кокрофт был вынужден отказаться от претензий на термоядерный синтез, и все это поле было испорчено годами. ZETA завершила свои эксперименты в 1968 году. ^[124]

Первый эксперимент по достижению управляемого термоядерного синтеза был проведен с использованием Scylla I в Лос-Аламосской национальной лаборатории в 1958 году. ^[27] Scylla I представляла собой θ-пинч- машину с цилиндром, полным дейтерия. Электрический ток обрушился на стенки цилиндра. Ток создавал магнитные поля, которые сжимали плазму, повышая температуру до 15 миллионов градусов Цельсия, на достаточно долгое время, чтобы атомы слились и образовали нейтроны. ^{[26] [27]} Программа Sherwood спонсировала серию машин Scylla в Лос-Аламосе. Программа началась с 5 исследователей и 100 000 долларов США, выделенных в январе 1952 г. ^[146]К 1965 году на программу было израсходовано в общей сложности 21 миллион долларов, а штат сотрудников никогда не превышал 65. ^{[ необходима цитата ]}

В 1950-1951 И. Е. Тамм и А.Д. Сахаров в СССР , первым обсуждался токамак -like подход. Экспериментальные исследования этих конструкций начались в 1956 году в Курчатовском институте в Москве группой советских ученых под руководством Льва Арцимовича . Токамак, по сути, сочетал маломощный пинч-устройство с маломощным простым стелларатором. Ключевым моментом было объединение полей таким образом, чтобы частицы вращались внутри реактора определенное количество раз, что сегодня известно как « коэффициент безопасности».". Комбинация этих полей резко улучшила время удержания и плотность, что привело к огромным улучшениям по сравнению с существующими устройствами. ^[124]

1960-е [ править ]

Ключевой текст по физике плазмы был опубликован Лайманом Спитцером в Принстоне в 1963 году. ^[147] Спитцер взял законы идеального газа и адаптировал их к ионизированной плазме, разработав многие фундаментальные уравнения, используемые для моделирования плазмы.

Лазерный синтез был предложен в 1962 году учеными Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса , вскоре после изобретения самого лазера в 1960 году. В то время лазеры были маломощными машинами, но низкоуровневые исследования начались еще в 1965 году. Формально лазерный синтез известный как термоядерный синтез с инерционным удержанием , включает в себя взрыв цели с помощью лазерных лучей. Это можно сделать двумя способами: непрямой привод и прямой привод. В режиме прямого привода лазер взрывает топливную таблетку. При непрямом возбуждении лазеры взрывают структуру вокруг топлива. Это делает рентгеновские лучи, которые сжимают топливо. Оба метода сжимают топливо, так что может происходить синтез.

На Всемирной выставке 1964 года публике была представлена ​​первая демонстрация ядерного синтеза. ^[148] Устройство было тета-пинчем от General Electric. Это было похоже на машину Scylla, разработанную ранее в Лос-Аламосе.

Затем магнитное зеркало было впервые опубликовано в 1967 году Ричардом Ф. Постом и многими другими из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса. ^[149] Зеркало состояло из двух больших магнитов, расположенных так, чтобы внутри них были сильные поля, и более слабое, но связанное поле между ними. Плазма, попадающая в область между двумя магнитами, "отскакивает" от более сильных полей в середине.

Группа А.Д. Сахарова построила первые токамаки, из которых наиболее удачными были Т-3 и его более крупный вариант Т-4. Т-4 был испытан в 1968 году в Новосибирске и произвел первую в мире квазистационарную термоядерную реакцию. ^{[150] : 90} Когда об этом было впервые объявлено, международное сообщество было настроено весьма скептически. Однако британскую команду пригласили посмотреть Т-3, и после тщательного измерения они опубликовали результаты, которые подтвердили советские утверждения. Последовал всплеск активности, поскольку многие запланированные устройства были заброшены, и вместо них были введены новые токамаки - стелларатор модели C, который тогда строился после многих переделок, был быстро преобразован в симметричный токамак. ^[124]

В своей работе с электронными лампами Фило Фарнсворт заметил, что электрический заряд будет накапливаться в областях лампы. Сегодня этот эффект известен как эффект мультипактора . ^[151] Фарнсворт рассуждал, что если ионы будут достаточно высоки, они могут столкнуться и сплавиться. В 1962 году он подал патент на конструкцию, в которой использовалась положительная внутренняя клетка для концентрации плазмы с целью достижения ядерного синтеза. ^[152] В это время Роберт Л. Хирш присоединился к телевизионной лаборатории Фарнсворта и начал работу над тем, что стало фузором. Хирш запатентовал дизайн в 1966 году ^[153] и опубликовал дизайн в 1967 году ^[154].

1970-е [ править ]

В 1972 году Джон Наколлс изложил идею зажигания. ^[22] Это цепная реакция синтеза. Горячий гелий, полученный во время термоядерного синтеза, разогревает топливо и запускает новые реакции. Джон утверждал, что для зажигания потребуются лазеры мощностью около 1 кДж. Это оказалось неправильным. Статья Наколлса положила начало серьезным усилиям по разработке. В LLNL построено несколько лазерных систем. В их число вошли аргус , циклоп , янус , длинный путь , лазер Шивы и Нова в 1984 году. Это побудило Великобританию построить Центральную лазерную установку в 1976 году. ^[155]

За это время были сделаны большие успехи в понимании системы токамаков. ^[156] Ряд усовершенствований конструкции теперь являются частью концепции «усовершенствованного токамака», который включает некруглую плазму, внутренние диверторы и ограничители, часто сверхпроводящие магниты, и работает в так называемом «участке H-режима». повышенной устойчивости. ^[157] Два других дизайна также стали достаточно хорошо изученными; компактный токамак соединен с магнитами внутри вакуумной камеры ^{[158] [159], в} то время как сферический токамак максимально уменьшает его поперечное сечение. ^{[160] [161]}

В 1974 г. исследование результатов ZETA продемонстрировало интересный побочный эффект; после завершения эксперимента плазма вступала в короткий период стабильности. Это привело к концепции перевернутого пинча поля , которая с тех пор получила определенное развитие. 1 мая 1974 года термоядерная компания KMS (основанная Кипом Сигелем ) осуществила первый в мире лазерно-индуцированный синтез дейтериево-тритиевой таблетки. ^[162]

В середине 1970-х годов в рамках проекта PACER , осуществлявшегося в Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL), изучалась возможность создания термоядерной энергетической системы, которая включала бы взрывы небольших водородных бомб (термоядерных бомб) внутри подземной полости. ^{[163] : 25} В качестве источника энергии система является единственной термоядерной энергетической системой, работоспособность которой может быть продемонстрирована с использованием существующих технологий. Однако для этого также потребуются большие и непрерывные поставки ядерных бомб, что делает экономику такой системы весьма сомнительной.

В 1976 году в Ливерморе заработал двухлучевой лазер Argus . ^[164] В 1977 году в Ливерморе был закончен 20-лучевой лазер Шива , способный доставить 10,2 килоджоулей инфракрасной энергии на цель. При цене в 25 миллионов долларов и размерах, близких к футбольному полю, Шива был первым из мегалазеров. ^{[164] В} том же году проект JET был одобрен Европейской Комиссией, и площадка была выбрана.

1980 [ править ]

В результате пропаганды, холодной войны и энергетического кризиса 1970-х годов федеральным правительством США в конце 1970-х - начале 1980-х годов была профинансирована программа создания массивных магнитных зеркал . Эта программа привела к созданию серии больших устройств с магнитным зеркалом, включая: 2X, ^{[165] : 273} Baseball I, Baseball II, эксперимент с тандемным зеркалом, модернизацию эксперимента с тандемным зеркалом, испытательный центр Mirror Fusion и MFTF-B. Эти машины были построены и испытаны в Ливерморе с конца 1960-х до середины 1980-х годов. ^{[166] [167]} Ряд учреждений сотрудничал над этими машинами, проводя эксперименты. В их числе Институт перспективных исследованийи Университет Висконсин-Мэдисон . Последняя машина, испытательная лаборатория Mirror Fusion, стоила 372 миллиона долларов и была на тот момент самым дорогим проектом в истории Ливермора. ^[63] Он открылся 21 февраля 1986 г. и был незамедлительно закрыт. Причина была в том, чтобы сбалансировать федеральный бюджет Соединенных Штатов. Эта программа была поддержана администрацией Картера и раннего Рейгана Эдвином Э. Кинтнером , капитаном ВМС США, под руководством Элвина Трайвелписа . ^[168]

В области Laser Fusion прогрессирует: в 1983 году был завершен лазер NOVETTE . В декабре 1984 года был закончен десятилучевой лазер NOVA . Пять лет спустя NOVA будет производить максимум 120 килоджоулей инфракрасного света за наносекундный импульс. ^[169] Между тем, усилия были сосредоточены либо на быстрой доставке, либо на плавности луча. Оба пытались равномерно доставить энергию, чтобы взорвать цель. Одна из первых проблем заключалась в том, что инфракрасный свет терял много энергии перед тем, как попасть в топливо. Прорывы были сделаны в лаборатории лазерной энергетики в Университете Рочестера. Ученые из Рочестера использовали кристаллы с утроением частоты, чтобы преобразовать инфракрасные лазерные лучи в ультрафиолетовые. В 1985 году Донна Стрикленд ^[170] и Жерар Муру изобрели метод усиления лазерных импульсов путем «чириканья». Этот метод преобразует одну длину волны в полный спектр. Затем система усиливает лазер на каждой длине волны, а затем преобразует луч в один цвет. Импульсное усиление щебета сыграло важную роль в создании Национального центра зажигания и системы Omega EP. Большинство исследований ICF было направлено на изучение оружия, потому что взрыв имеет отношение к ядерному оружию. ^[171]

За это время Лос-Аламосская национальная лаборатория построила ряд лазерных установок. ^[172] Это включало Близнецы (двухлучевая система), Гелиос (восемь лучей), Антарес (24 луча) и Аврора (96 лучей). ^{[173] [174]} Программа завершилась в начале девяностых, ее стоимость составила порядка одного миллиарда долларов. ^[172]

В 1987 году Акира Хасегава ^[175] заметил, что в диполярном магнитном поле флуктуации имеют тенденцию сжимать плазму без потери энергии. Этот эффект был замечен в данных, полученных " Вояджером-2" , когда он столкнулся с Ураном. Это наблюдение станет основой для метода синтеза, известного как левитирующий диполь .

В токамаках Tore Supra строилась в середине восьмидесятых (с 1983 по 1988 год). Это был токамак, построенный в Кадараше , Франция. ^[176] В 1983 году JET был завершен и получены первые плазмы. В 1985 году был достроен японский токамак JT-60 . В 1988 году достроили советский токамак Т-15 . Это был первый промышленный термоядерный реактор, в котором для управления плазмой использовались сверхпроводящие магниты (охлаждаемые гелием) . ^[177]

В 1989 году Понс и Флейшманн представили статьи в Journal of Electroanalytical Chemistry, в которых утверждали, что они наблюдали термоядерный синтез в приборе при комнатной температуре, и раскрыли свою работу в пресс-релизе. ^[178] Некоторые ученые сообщили об избыточном тепле, нейтронах, тритии, гелии и других ядерных эффектах в так называемых системах холодного синтеза , которые какое-то время вызывали интерес как многообещающие. Надежды упали, когда были взвешены неудачи репликации, учитывая несколько причин, по которым холодный синтез маловероятен, открытие возможных источников экспериментальной ошибки и, наконец, открытие того, что Флейшманн и Понс фактически не обнаружили побочных продуктов ядерной реакции. ^{[179] [180] [181] [182]}К концу 1989 года большинство ученых сочли заявления о холодном синтезе мертвыми ^[179], и впоследствии холодный синтез приобрел репутацию патологической науки . ^[183] Тем не менее, небольшое сообщество исследователей продолжает исследовать холодный синтез ^{[179] [184] [185] [186] [187],} утверждая, что они повторяют результаты Флейшмана и Понса, включая побочные продукты ядерных реакций. ^{[188] [189]} Утверждениям, связанным с холодным синтезом, в основном не верят. ^[190] В 1989 г. большинство экспертов, организованных Министерством энергетики США(DOE) обнаружил, что доказательства открытия нового ядерного процесса неубедительны. Во втором обзоре Министерства энергетики, созванном в 2004 году для изучения новых исследований, были сделаны выводы, аналогичные первым. ^{[191] [192] [190]}

В 1984 году Мартин Пэн из ORNL предложил ^[193] альтернативное расположение магнитных катушек, которое значительно уменьшило бы соотношение сторон, избегая при этом проблем эрозии компактного токамака: сферического токамака . Вместо того, чтобы соединять каждую магнитную катушку отдельно, он предложил использовать один большой проводник в центре и соединять магниты полукольцами с этого проводника. То, что когда-то представляло собой серию отдельных колец, проходящих через отверстие в центре реактора, было уменьшено до единственной стойки, что позволило добиться соотношения сторон всего 1,2. ^{[194] : B247 [195] : 225}Концепция ST, казалось, представляет собой огромный шаг вперед в дизайне токамаков. Однако это предлагалось в период, когда бюджеты на исследования в области термоядерного синтеза в США резко сокращались. ORNL были выделены средства на разработку подходящей центральной колонны, построенной из высокопрочного медного сплава под названием «Glidcop». Однако им не удалось получить финансирование для создания демонстрационной машины «STX». Не сумев построить ST в ORNL, Пэн начал всемирную попытку заинтересовать другие команды концепцией ST и построить испытательную машину. Один из способов сделать это быстро - преобразовать машину сферомака в макет сферического токамака . ^{[195] : 225} Защита интересов Пэна также заинтересовала Дерека Робинсона изТермоядерный центр Управления по атомной энергии Соединенного Королевства в Калхэме . Робинсону удалось собрать команду и обеспечить финансирование порядка 100 000 фунтов стерлингов для создания экспериментальной машины - токамака с малым плотным соотношением сторон или START. Некоторые части машины были переработаны из более ранних проектов, в то время как другие были взяты во временное пользование из других лабораторий, включая инжектор нейтрального луча 40 кэВ от ORNL. Строительство СТАРТ началось в 1990 году, он был быстро собран и сдан в эксплуатацию в январе 1991 года. ^{[194] : 11}

1990-е [ править ]

В 1991 году в рамках предварительного эксперимента с тритием в Joint European Torus в Англии был достигнут первый в мире управляемый выброс термоядерной энергии. ^[196]

В 1992 году в Physics Today была опубликована большая статья Роберта Маккори из Лаборатории лазерной энергетики, в которой говорилось о текущем состоянии ICF и предлагалось создать национальную установку для зажигания. ^[197] За этим последовала большая обзорная статья Джона Линдла в 1995 г. ^[198], защищающая NIF . В это время разрабатывался ряд подсистем ICF, включая изготовление мишеней, криогенные системы обработки, новые конструкции лазеров (в частности, лазер NIKE в NRL ) и усовершенствованные средства диагностики, такие как анализаторы времени пролета и томсоновское рассеяние . Эта работа была выполнена на лазерной установке NOVA , General Atomics ,Laser Mégajoule и система GEKKO XII в Японии. Благодаря этой работе и лоббированию таких групп, как партнеры по термоядерной энергии и Джон Сетиан из NRL, в конгрессе было проведено голосование, разрешившее финансирование проекта NIF в конце девяностых.

В начале девяностых годов, теория и экспериментальная работа в отношении fusors и polywells была опубликована. ^{[199] [200]} В ответ Тодд Райдер из Массачусетского технологического института разработал общие модели этих устройств. ^[201] Райдер утверждал, что все плазменные системы, находящиеся в термодинамическом равновесии, фундаментально ограничены. В 1995 году Уильям Невинс опубликовал критику ^{[202], в которой} утверждалось, что частицы внутри фузоров и поливелл накапливают угловой момент , вызывая разрушение плотного ядра.

В 1995 году Университет Висконсина-Мэдисона построил большой фузор , известный как HOMER, который все еще работает. ^[203] Тем временем доктор Джордж Х. Майли из Иллинойса построил небольшой фузор, который производил нейтроны с использованием газа дейтерия ^{[204] [205],} и открыл «звездный режим» работы фузора. В следующем году был проведен первый «Американо-японский семинар по IEC Fusion». В то время в Европе было разработано устройство IEC как коммерческий источник нейтронов компаниями Daimler-Chrysler и NSD Fusion. ^{[206] [207]}

В следующем году Z-машина была модернизирована и открыта для публики армией США в августе 1998 года в Scientific American. ^[208] Ключевыми атрибутами Z-машины Sandia ^[209] являются ее 18 миллионов ампер и время разряда менее 100 наносекунд . Это генерирует магнитный импульс внутри большого масляного резервуара, который ударяет по массиву вольфрамовых проволок, называемых лайнером . ^[210] Запуск Z-машины стал способом проверки условий очень высокой энергии и высокой температуры (2 миллиарда градусов). ^[211] В 1996 году Tore Supra создает плазму в течение двух минут с током почти в 1 миллион ампер, неиндуктивно возбуждаемым мощностью 2,3 МВт.волны нижней гибридной частоты . Это 280 МДж введенной и извлеченной энергии. Такой результат стал возможен благодаря активно охлаждаемым компонентам, обращенным к плазме ^{[ необходима цитата ]}

В 1997 году JET произвел пиковую мощность термоядерного синтеза в 16,1 МВт (65% тепла в плазму ^[212] ) с мощностью термоядерного синтеза более 10 МВт, поддерживаемой в течение более 0,5 секунды. Его преемник, Международный термоядерный экспериментальный реактор ( ИТЭР ), был официально объявлен частью семистороннего консорциума (шесть стран и ЕС). ИТЭР разработан для выработки в десять раз большей мощности термоядерного синтеза, чем мощность, вложенная в плазму . ИТЭР в настоящее время строится в Кадараше , Франция. ^[213]

В конце девяностых, команда в Колумбийском университете и MIT разработали левитирующий диполь , ^[214] слитое устройство , которое состояло из сверхпроводящего электромагнита, плавающий в форме тарелки вакуумной камеры. ^[215] Плазма закручивалась вокруг этого пончика и сливалась вдоль центральной оси. ^[216]

2000-е [ править ]

В 8 марта 2002 выпуска рецензируемого журнала Science , руси П. Taleyarkhan и его коллеги из Национальной лаборатории Oak Ridge (ORNL) сообщили , что акустические эксперименты проводились с кавитационными дейтерированным ацетоном ( С ₃ D ₆ O ) показал измерение трития и нейтронный выход, соответствующий возникновению термоядерного синтеза. ^[222] Taleyarkhan позже был признан виновным в совершении проступка, ^[223] Управление военно - морских исследований отстранил его в течение 28 месяцев с момента получения федерального финансирования, ^[224]и его имя было внесено в «Список исключенных сторон». ^[224]

«Быстрое зажигание» ^{[225] [226]} было разработано в конце девяностых годов и было частью попытки Лаборатории лазерной энергетики создать систему Omega EP. Эта система была завершена в 2008 году. Быстрое зажигание показало такую ​​значительную экономию энергии, что ICF оказался полезным методом для производства энергии. Есть даже предложения построить экспериментальную установку, посвященную подходу быстрого зажигания, известную как HiPER .

В апреле 2005 года группа из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе объявила ^[227], что разработала способ получения термоядерного синтеза с использованием машины, которая «помещается на лабораторном столе», с использованием танталата лития для генерирования напряжения, достаточного для того, чтобы разбивать атомы дейтерия. Однако этот процесс не генерирует полезную мощность (см. Пироэлектрический синтез ). Такое устройство было бы полезно в тех же ролях, что и фузор.

В следующем году был завершен испытательный реактор EAST в Китае . ^[228] Это был первый токамак, в котором сверхпроводящие магниты использовались для генерации как тороидального, так и полоидального полей.

В начале 2000-х исследователи из LANL пришли к выводу, что колебания плазмы могут находиться в локальном термодинамическом равновесии. Это побудило к созданию ловушек POPS и Пеннинга . ^{[229] [230]}

В это время исследователи из Массачусетского технологического института заинтересовались фузами для космических двигателей ^[231] и двигателей космических аппаратов. ^{[232] В} частности, исследователи разработали фузеры с множеством внутренних клеток. Грег Пифер окончил Мэдисон и основал Phoenix Nuclear Labs , компанию, которая разработала фузор в источник нейтронов для массового производства медицинских изотопов. ^[233] Роберт Бюссар начал открыто говорить о поливелле в 2006 году. ^[234] Перед своей смертью он пытался вызвать интерес ^[235] к исследованиям.

В марте 2009 года начала работать высокоэнергетическая лазерная система National Ignition Facility (NIF), расположенная в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса . ^[236]

В начале 2000-х годов было основано несколько частных термоядерных компаний, преследовавших новаторские подходы с заявленной целью разработки коммерчески жизнеспособных термоядерных электростанций. ^[237] Секретный стартап Tri Alpha Energy , основанный в 1998 году, начал исследовать подход к конфигурированию с обращением поля . ^{[238] [239]} В 2002 году канадская компания General Fusion начала эксперименты по проверке концепции, основанные на гибридном магнито-инерционном подходе, названном Magnetized Target Fusion. ^{[238] [237] В} настоящее время эти компании финансируются частными инвесторами, включая Джеффа Безоса (General Fusion) и Пола Аллена (Tri Alpha Energy). ^[238]К концу десятилетия британская термоядерная компания Tokamak Energy начала исследовать сферические токамаки ; он использует повторное подключение, чтобы запустить токамак. ^[240]

2010-е [ править ]

Исследования по синтезу активизировались в 2010-х годах как в государственном, так и в частном секторах; В течение десятилетия General Fusion разработала технологию плазменных инжекторов, а Tri Alpha Energy сконструировала и эксплуатировала свое устройство C-2U. ^[241] Термоядерный синтез был исследован NIF и французской Laser Mégajoule . В 2010 году исследователи НИФ провели серию «настраивающих» выстрелов, чтобы определить оптимальную конструкцию мишени и параметры лазера для экспериментов по высокоэнергетическому воспламенению термоядерного топлива. ^{[242] [243]} Огневые испытания были проведены 31 октября 2010 г. и 2 ноября 2010 г. В начале 2012 г. директор NIF Майк Данн ожидал, что к концу 2012 г. лазерная система будет генерировать термоядерный синтез с чистым приростом энергии.^[244] Однако этого не произошло до августа 2013 года. Учреждение сообщило, что их следующим шагом было улучшение системы, чтобы не допустить асимметричного или слишком быстрого распада хохльраума. ^[245]

Что касается анейтронного синтеза, в статье 2012 года было продемонстрировано, что в фокусе плотной плазмы достигнута температура 1,8 миллиарда градусов Цельсия, достаточная для синтеза бора , и что реакции синтеза происходят в основном внутри плазмоида, что является необходимым условием для чистой энергии. ^[246]

В апреле 2014 года Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса завершила программу лазерной инерционной термоядерной энергии (LIFE) и перенаправила свои усилия на NIF. ^[247] В августе 2014 года Phoenix Nuclear Labs объявила о продаже высокопроизводительного нейтронного генератора, способного поддерживать 5 × 10 ¹¹ реакций синтеза дейтерия в секунду в течение 24 часов. ^[248] В октябре 2014, Lockheed Martin «s Skunk Works объявила о разработке высокой бета - термоядерного реактора, в Compact Fusion Reactor , намеревающегося на создании 100 мегаватт - прототип 2017 года и начала регулярной эксплуатации к 2022 году.^{[249] [250] [251]} Хотя первоначальная концепция заключалась в создании 20-тонного блока размером с контейнер, после реальных инженерных и научных исследований и компьютерного моделирования в 2018 году команда признала, что минимальный масштаб будет примерно в 100 раз больше. на 2000 тонн. ^[252]

В январе 2015 года поливелл был представлен в Microsoft Research . ^[253] В августе Массачусетский технологический институт объявил о токамаке, который назвал термоядерный реактор ARC , в котором используются сверхпроводящие ленты из редкоземельного бария-меди (REBCO) для производства катушек с сильным магнитным полем, которые, по его утверждению, создают сопоставимую напряженность магнитного поля в меньшей конфигурации другие конструкции. ^[254] В октябре исследователи из Института физики плазмы Макса Планка завершили строительство самого большого на сегодняшний день стелларатора - Wendelstein 7-X.. 10 декабря они успешно создали первую гелиевую плазму, а 3 февраля 2016 г. - первую водородную плазму устройства. ^[255] Используя плазменные разряды продолжительностью до 30 минут, Wendelstein 7-X пытается продемонстрировать существенное свойство стелларатора: непрерывную работу высокотемпературной водородной плазмы.

В 2017 году была введена в эксплуатацию плазменная установка пятого поколения Helion Energy, цель которой - достичь плотности плазмы 20 Тесла и температуры термоядерного синтеза. В 2018 году General Fusion разрабатывала демонстрационную систему в масштабе 70%, которая должна быть завершена примерно в 2023 году. ^[252] Также в 2017 году британский термоядерный реактор ST40, эксплуатируемый Tokamak Energy, произвел «первую плазму». ^[256] В следующем году энергетическая корпорация Eni объявила о вложении 50 миллионов долларов в недавно основанную компанию Commonwealth Fusion Systems , чтобы попытаться коммерциализировать технологию ARC с использованием испытательного реактора ( SPARC ) в сотрудничестве с MIT. ^{[257] [258] [259] [260]}

Что касается национальных термоядерных электростанций, в 2019 году Соединенное Королевство объявило о запланированных инвестициях в размере 200 миллионов фунтов стерлингов (248 миллионов долларов США) в разработку проекта термоядерной установки под названием Сферический токамак для производства энергии (STEP) к началу 2040-х годов. . ^{[261] [262]}

2020-е [ править ]

В 2020 году энергетический гигант Chevron Corporation объявила об инвестициях в стартап в области термоядерной энергетики Zap Energy. ^[263] Кроме того, Департамент энергетики США запустил программу Настаивать, инициативу обмена знаниями между государственным и частным, например Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), MIT Plasma Science и Fusion Center и Commonwealth Fusion Systems сотрудничество, ^[264] вместе в партнерстве с TAE Technologies, Princeton Fusion Systems и Tokamak Energy. ^[265]

В 2021 году Консультативный комитет по наукам о термоядерной энергии Министерства энергетики США утвердил стратегический план, который будет направлять исследования Министерства энергетики в области термоядерной энергии и физики плазмы на десятилетие. План, основанный на успешном процессе общественного планирования ^[266], включает разработку объектов и программ, в том числе через государственно-частные партнерства, которые позволят построить электростанцию ​​Fusion Power в США к 2040 году, если не раньше, в случае компактных устройств, ставит США в прямую конкуренцию аналогичным усилиям Канады, Китая и Великобритании. ^{[267] [268]}

Записи [ править ]

Рекорды Fusion были установлены рядом устройств. Некоторые следуют:

Fusion power [ править ]

Мгновенная мощность термоядерного синтеза может быть измерена в плазме DT или рассчитана для плазмы без плавления и экстраполирована на плазму DT. JET сообщил о 16 МВт в 1997 г. ^[269]

Давление плазмы [ править ]

Давление плазмы зависит от плотности и температуры.

Alcator C-Mod достиг рекордных 1,77 атмосфер в 2005 году и 2,05 атм в 2016 году. ^[270]

Критерий Лоусона [ править ]

Что касается тройного продукта термоядерного синтеза, JT-60 сообщил о 1,53x10 ²¹ кэВ · см ^-3 . ^{[271] [272]}

Коэффициент усиления энергии термоядерного синтеза Q [ править ]

Отношение энергии, полученной при синтезе, к количеству энергии, используемой для нагрева плазмы. Это соотношение игнорирует любые недостатки в системе нагрева плазмы.

• Рекорд 0,69 удерживается Joint European Torus (JET) с 1997 года, когда плазма генерировала 16 МВт мощности в результате реакций синтеза, по сравнению с 23 МВт при нагревании плазмы. ^[269]

В некоторых экспериментах заявлено значение Q, как если бы они использовали DT, на основе их результатов только для D.

Время выполнения [ править ]

Сама по себе продолжительность работы не является полезным параметром, поскольку холодная плазма низкого давления легко удерживается или обслуживается в течение длительного времени.

В конфигурациях с перевернутым полем максимальное время работы составляет 300 мс, что установлено в принстонской конфигурации с обращением поля в августе 2016 года. ^[273] Однако это не связано с синтезом.

Стелларатор , Вендельштайн 7-Х , провел плазму в течение 100 секунд. ^{[274] [275]}

Бета [ править ]

Мощность термоядерного синтеза возрастает по мере увеличения удержания плазмы до четвертой степени. ^[276] Следовательно, получение мощной плазменной ловушки имеет реальную ценность для термоядерной электростанции. Плазма обладает очень хорошей электропроводностью . Это открывает возможность удержания плазмы магнитным полем , обычно известного как магнитное удержание . Поле оказывает магнитное давление на плазму, которая удерживает ее. Широко используемым показателем магнитного захвата при синтезе является бета-отношение (давление плазмы / давление магнитного поля):

${\ displaystyle \ beta = {\ frac {p} {p_ {mag}}} = {\ frac {nk_ {B} T} {(B ^ {2} / 2 \ mu _ {0})}}}$^{[277] : 115}

Это отношение приложенного извне поля к внутреннему давлению плазмы. Значение 1 - идеальный треппинг. Вот некоторые примеры бета-значений:

1. START Машина: 0,32
2. Левитировал дипольный эксперимент: ^[278] 0,26
3. Сферомаки: ≈ 0,1, ^[279] Максимум 0,2 на основе лимита Мерсье. ^[280]
4. Машина DIII-D : 0,126 ^{[ необходима ссылка ]}
5. Газ Динамической ловушка магнитное зеркало: 0,6 ^[281] для 5Х-3 секунд. ^[282]
6. Продолжительный эксперимент с плазмой сферомака в национальных лабораториях Лос-Аламоса <0,05 в течение 4E-6 секунд. ^[283]

См. Также [ править ]

Викискладе есть медиафайлы, связанные с термоядерными реакторами .

Ссылки [ править ]