Сила термоядерного синтеза

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

Энергия термоядерного синтеза - это предлагаемая форма выработки электроэнергии, при которой будет вырабатываться электричество за счет использования тепла ядерных реакций синтеза . В процессе слияния 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, вырабатывающая энергию, известна как критерий Лоусона . В звездах наиболее распространенным топливом является водород , а гравитация обеспечивает чрезвычайно длительное время удержания, которое позволяет достичь условий, необходимых для производства энергии термоядерного синтеза. Предлагаемые термоядерные реакторы обычно используют изотопы водорода, такие как дейтерий и тритий (и особенно их смесь.), которые реагируют легче, чем водород, что позволяет им соответствовать требованиям критерия Лоусона в менее экстремальных условиях. Большинство конструкций нацелено на нагрев топлива до десятков миллионов градусов, что представляет собой серьезную проблему для создания успешной конструкции.

Ожидается, что как источник энергии ядерный синтез будет иметь много преимуществ перед делением . К ним относятся снижение 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 Fusion 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 Национальной системы зажигания (NIF) в США. Исследователи также изучают другие конструкции, которые могут предложить более дешевые подходы. Среди этих альтернатив растет интерес к термоядерному соединению с намагниченной мишенью иинерционное электростатическое удержание и новые варианты стелларатора.

Фон [ править ]

Механизм [ править ]

Реакции синтеза происходят, когда два или более атомных ядра подходят достаточно близко на достаточно долгое время, чтобы ядерная сила, стягивающая их вместе, превышала электростатическую силу, отталкивающую их друг от друга, превращая их в более тяжелые ядра. Для ядер легче железа-56 реакция экзотермична с выделением энергии. Для ядер тяжелее железа-56 реакция эндотермическая и требует внешнего источника энергии. ^[2] Следовательно, ядра, меньшие, чем железо-56, с большей вероятностью сливаются, в то время как 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 осуществить термоядерный синтез, атомам топлива необходимо дать достаточно энергии, чтобы приблизиться друг к другу 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 до уровня, превышающего его энергию ионизации , его электроны удаляются (он ионизируется), оставляя только голое ядро ​​( ион ). В результате образуется 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 гауссова кривая или распределение Максвелла – Больцмана . В этом случае полезно использовать среднее поперечное сечение частицы 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, произведенная синтезом, 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 Джоном Лоусоном 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. Радиация - это энергия, которая покидает облако в виде света в видимом, УФ , ИК или рентгеновском спектрах. Излучение увеличивается с повышением температуры. Технологии термоядерной энергии должны преодолевать 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, чтобы компенсировать низкую плотность. 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]}, основной остающейся проблемой 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, инерционные системы 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 по сравнению с плотностью свинца. В этих условиях скорость термоядерного синтеза настолько высока, что вся топливная загрузка подвергается плавлению за микросекунды, необходимые для того, чтобы выделяемое в результате реакции тепло разорвало топливо на части. Хотя современные аппараты 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 не удерживается. В большинстве таких конструкций он в конечном итоге улавливается толстым литиевым «одеялом», 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 создания дополнительного топлива деления в бланкете ядерных отходов , концепция, известная как гибрид деления-термоядерного 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 своей 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 Лоуренса (LLNL) в 1980-х годах как метод поддержания напряжения с использованием продуктов реакции термоядерного синтеза. Это продемонстрировало эффективность улавливания энергии на уровне 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. ^{[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 , немецкое термоядерное устройство, которое произвело 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 варианты, 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. Разновидности 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 топливные ионы, которые выходят из одного, удерживаются в соседнем зеркале, что позволяет поднять давление плазмы произвольно 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 самогенерируемого 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 небольшую таблетку топлива, заставляя ее схлопнуться внутрь, чтобы сжать топливо. Самой крупной системой, использующей этот метод, является National Ignition Facility , за которой 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]
• Магнитно-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 сделать термоядерный синтез с инерционным удержанием с помощью 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 можно сфокусировать как в пространстве, так и во времени в соответствии с точными потребностями ICF.
• Z-машина : Уникальный подход к ICF - это z-машина, которая пропускает огромный электрический ток через тонкие вольфрамовые проволоки, 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 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 Scylla было первым, кто убедительно продемонстрировал синтез, но более поздние исследования показали, что ему присущи ограничения, которые сделали 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 для производства электроэнергии. ^{[29] [30] [31]}
• Винтовой зажим: этот метод сочетает в себе тэта- и z-зажим для улучшения стабилизации. ^[32]

Инерционное электростатическое удержание [ править ]

• Фузор : этот метод использует электрическое поле для нагрева ионов до условий термоядерного 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 высокихпотерь проводимости и излучения . ^[33] 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 при ударе 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 возникли из-за загрязнения капель.
• Неконтролируемый: термоядерный синтез был инициирован человеком с использованием неконтролируемых ядерных взрывов для воспламенения 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 не могут использоваться для электростанции, потому что для сохранения когерентности луча требуется гораздо больше энергии, чем 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 эта проблема не будет решена, 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 ядерно-импульсная тяга , катализируемая антивеществом , была исследована в Государственном университете Пенсильвании 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 называется магнитным пересоединением. Повторное соединение способствует синтезу, потому что оно мгновенно сбрасывает огромное количество энергии в плазму, быстро нагревая ее. Ионы могут нагревать до 45% энергии магнитного поля. ^{[44] [45]}

С помощью магнитных колебаний к магнитным катушкам 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 называется магнитным пересоединением. Повторное соединение способствует синтезу, потому что оно мгновенно сбрасывает огромное количество энергии в плазму, быстро нагревая ее. Ионы могут нагревать до 45% энергии магнитного поля. ^{[44] [45]}

При инжекции нейтрального пучка внешний источник водорода ионизируется и ускоряется электрическим полем, чтобы сформировать заряженный пучок, который просвечивает 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 дозаправляя реактор за одну операцию. Остальная часть заряженного пучка направляется магнитными полями на охлаждаемые отводы пучка.^[47]

При радиочастотном нагреве к плазме прикладывается радиоволна, заставляющая ее колебаться. По сути, это та же концепция, 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 можно использовать для определения локальной плотности, потенциала и температуры плазмы. ^[51]

При томсоновском рассеянии свет рассеивается из плазмы. Этот свет можно обнаружить и использовать для реконструкции 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 заставляет рентгеновские лучи рассеивать или пересекать плазму. В токамаках это можно сделать с помощью зеркал и детекторов для отражения света в плоскости (два измерения) или по линии (в одном измерении).

Детекторы нейтронов также могут использоваться, поскольку синтез дейтерия или трития производит нейтроны. Нейтроны взаимодействуют с окружающим веществом способами, которые могут быть обнаружены. 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: видимый, ИК, УФ и рентгеновский лучи. 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 как жесткими, так 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 размножения 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 перевернутым 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 больших 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 таким образом, 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 потерян при транспортировке в другие регионы или при проводимости через твердое или жидкое вещество.

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 сделал, крупномасштабная реакция синтеза была испытание 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 вырабатывает 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 попадает в область с более высокой напряженностью поля, частицы могут отразиться. Есть несколько устройств, которые пытаются использовать этот эффект. Самыми известными были машины с магнитными зеркалами, 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 перевернутым 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 - фузор . Это устройство имеет катод внутри анодной проволочной сетки. 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, создавая недопустимо высокие потери проводимости . Кроме того, скорость синтеза в фузорах 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 нерешенными.

Топливо [ править ]

Путем выстрела пучков частиц по мишеням были испытаны 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 напрямую не производит нейтроны, хотя побочные реакции могут. ^[71]

Дейтерий, тритий [ править ]

Самая легкая 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 в качестве удобного источника нейтронов. Дейтерий - это встречающийся в природе изотоп водорода, который широко доступен. Большое массовое соотношение изотопов водорода облегчает их разделение по сравнению со сложным процессом обогащения урана . Тритий является естественным изотопом 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 DT-синтеза, показанной выше, и той, которая имеет 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. Основными кандидатами для размножения нейтронов являются бериллий и свинец, однако реакция ⁷ Li, описанная выше, 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% выхода 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, и 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 камешки 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, также используется литий внутри активной зоны реактора в качестве ключевого элемента 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 оптимума для реакции DT. Первая ветвь не производит нейтронов, но производит тритий, так что реактор DD не будет полностью свободным от трития, даже если он не требует ввода трития или лития. Если тритоны не удастся быстро удалить, большая часть произведенного трития будет сожжена перед выходом из реактора, что уменьшит обращение с тритием, 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 лет. 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, будет всего 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 вырабатываемая 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

В результате этой реакции образуется 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 удастся достичь анейтронного синтеза . Теоретически наиболее реактивным a-нейтронным термоядерным топливом является ³ He. Однако получение разумных количеств ³ He потребует крупномасштабных операций 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 лазерный синтез гранул, незначительны, большинство предложений по аневтронному слиянию основаны на радикально различных концепциях ограничения, таких как Polywell и плотный плазменный фокус . 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]} Основные вопросы - это условия, создаваемые плазмой, проблема нейтронной деградации поверхностей стенок и, таким образом, проблема условий поверхности плазменных стенок. ^{[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 по сдерживанию 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 плазменных стенок [ 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 , такой как графит или бериллий , либо материал с высоким Z , обычно вольфрам с молибденом в качестве второго варианта. ^[88] Также было 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 необходимо полагаться на повторное осаждение распыленного материала. Местоположение 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. Похоже, сообщество специалистов по термоядерным реакциям согласилось с тем, что графит, хотя и является очень привлекательным материалом для экспериментов по термоядерному синтезу, 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 его более привлекательным выбором. С другой стороны, примеси вольфрама в плазме гораздо более опасны, 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). У вольфрама также есть 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 требуемого управления, реакции термоядерного синтеза и тепловыделение быстро прекратятся. ^[90] Кроме того, термоядерные реакторы содержат лишь небольшое количество топлива, которого достаточно, чтобы «гореть» в течение секунд или, в некоторых случаях, микросекунд. Если их не заправить активно, реакции быстро прекратятся. Поэтому 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 деликатен, 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 всего 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 вызывает возможность расплавления; ничего подобного не существует в термоядерном реакторе. ^[92]

В магнитном подходе сильные поля развиваются в катушках, которые механически удерживаются на месте структурой 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 катастрофический отказ. ^[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 возвращается 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 мало, что они бы разбавились до юридически приемлемых пределов к тому времени, когда они взорвутся до периметра станции. забор . ^[94]

Вероятность небольших промышленных аварий, включая локальный выброс радиоактивности и травмы персонала, оценивается как малая по сравнению с делением ядер. 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 пятно 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 становится нормальным (это может занять несколько секунд, в зависимости от размера сверхпроводящей катушки). Это сопровождается громким треском, поскольку энергия магнитного поля преобразуется в тепло, и быстрое выкипание криогенного газа.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, оснащены 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 металлические блоки, которые нагреваются до нескольких сотен градусов Цельсия - из-за резистивного нагрева - за считанные секунды. Хотя это и нежелательно, гашение магнита 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 из-за того, 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 будут создавать 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 отличия. 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]Тем не менее, классификация отходов термоядерных электростанций как отходы среднего уровня активности, а не как отходы низкого уровня активности, может сильно повлиять на их жизнеспособность. ^[102]

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. Например, ванадий стал бы гораздо менее радиоактивным, чем нержавеющая сталь . ^[103] 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. ^[104]

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 можно было бы использовать для получения оружейного плутония или урана для атомной бомбы (например, путем трансмутации U ²³⁸ в Pu ²³⁹ или Th ²³² в U ²³³ ).

Исследование, проведенное в 2011 году, оценило риск по трем сценариям: ^[105]

• 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. ^[105]
• Модификации для производства оружейных материалов на коммерческом объекте: производственный потенциал значителен. Но никакие воспроизводящие или делящиеся вещества, необходимые для производства материалов, пригодных для использования в оружии, вообще не должны присутствовать в гражданской термоядерной системе. Если эти материалы не защищены, 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 ^{[105], в} противном случае плутоний для нескольких видов оружия может производиться каждый год. ^[106]
• Приоритетом быстрого производства 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, дополнительная 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. ^[105]

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. ^[106] Теоретические и вычислительные инструменты, необходимые для проектирования 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 вырабатывая достаточно нейтронного излучения, чтобы сделать активацию материалов станции проблематичной. Основное отличие состоит в том, что термоядерная энергия не приводит к образованию 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 .^{[107] [108]}

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 в 1995 г., составляющей около 100 Э Дж / год (= 1 × 10 ²⁰ Дж / год), и что в будущем она не увеличится, что маловероятно, то известные текущие запасы лития будут последние 3000 лет. Литий из морской воды просуществует 60 миллионов лет, а более сложный процесс синтеза, использующий только дейтерий, даст топливо на 150 миллиардов лет. ^[109] Чтобы представить это в контексте, 150 миллиардов лет почти в 30 раз больше, чем продолжительность жизни Солнца, ^[110] и более чем в 10 раз превышает предполагаемый возраст Вселенной.

Экономика [ править ]

Хотя термоядерная энергия все еще находится на ранних стадиях 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 , ^[111] и один только реактор ИТЭР представляет собой инвестиции в размере более двадцати миллиардов долларов и, возможно, еще десятки миллиардов, включая взносы натурой. ^{[112] [113]} 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).^[114] В рамках Шестой рамочной программы Европейского союза наисследования в области ядерного синтезабыло выделено 750 миллионов евро (в дополнение к финансированию ИТЭР) по сравнению с 810 миллионами евро на исследования в области устойчивой энергетики, ^[115] 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 энергетики, привлекли более 2 миллиардов долларов ^[116] с инвесторами, включая Джеффа Безоса , Питера Тиля и Билла Гейтса , а также институциональных инвесторов, включая Legal & General , а совсем недавно - энергетические компании, такие как Equinor , Eni , Chevron , ^[117] и китайская ENN Group . ^[118]В сентябре 2019 года Bloomberg обнаружил, что над термоядерной энергией работают более двадцати частных компаний ^[119], как и базирующаяся в США ассоциация термоядерной промышленности . ^{[120] [121]}

Первоначальные сценарии, разработанные в 2000-х и начале 2010-х годов, обсуждали влияние коммерциализации термоядерной энергии на будущее человеческой цивилизации. ^[122] Используя историю освоения ядерных реакторов деления в качестве руководства, они рассматривали ИТЭР, а затем и ДЕМО, как предполагающий запуск первого коммерческого ядерного термоядерного реактора примерно в 2050 году и описывают быстрое освоение ядерной энергии термоядерного синтеза, начиная с середины этого века. ^{[122] В} таких сценариях иногда подчеркивается, что «установки для термоядерной ядерной науки» являются шагом вперед за пределы ИТЭР. ^{[123] [124]}Однако экономические препятствия на пути развития традиционной термоядерной энергии на основе токамаков традиционно считались огромными, поскольку основное внимание уделялось привлечению достаточных инвестиций для финансирования итераций прототипов реакторов токамаков ^[125] и разработке новых цепочек поставок. ^[126] Термоядерная энергия на токамаках также кажется трудозатратной, ^{[127] в} то время как риск коммерциализации альтернатив, таких как инерционная термоядерная энергия, высок из-за отсутствия государственных программ. ^[128]

В более поздних сценариях, начиная с 2010 года, инновации в вычислительной технике и материаловедении приводят к возможности разработки многоэтапных национальных или совместных затрат «экспериментальных установок по термоядерному синтезу» (FPP) по разнообразным технологическим направлениям, ^{[129] [124] [130] [107] [108] [131],} например, сферический токамак Великобритании для производства энергии в период 2030-2040 годов. ^{[119] [120]} Это предполагает возможность достижения потенциала коммерциализации технологии компактных реакторов через подход, основанный на использовании парка электростанций, вскоре после этого. ^[132] Были представлены сценарии воздействия коммерциализации термоядерной энергии на будущее человеческой цивилизации. ^[122]Таким образом, возникли нормативные проблемы. 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. ^[117] Затем, в январе 2021 года, Комиссия по ядерному регулированию провела «Виртуальную открытую встречу по разработке вариантов нормативной базы для систем термоядерного синтеза». ^[133]Кроме того, подход к разделению затрат между государственным и частным секторами был одобрен в Законе о консолидированных ассигнованиях HR133 от 27 декабря 2021 года, который санкционировал выделение 325 миллионов долларов на пятилетнюю программу партнерства по строительству демонстрационных объектов термоядерного синтеза с минимальной суммой в 325 миллионов долларов США. частная промышленность. ^[134]

Геополитика [ править ]

Учитывая огромный потенциал термоядерного синтеза для преобразования мировой энергетики и, в последнее время, для управления изменением климата, ^{[121] в} том числе в рамках Парижского соглашения и последующих рамок ^{[130] [135]} термоядерная наука и развитие ИТЭР традиционно рассматривались как неотъемлемая часть долгосрочной дипломатии науки о миростроительстве , особенно в период холодной войны и сразу после нее. ^{[136] [98]} Однако последние технологические разработки, ^[137]появление в частном секторе термоядерной промышленности и, таким образом, возможность создания прототипов коммерческих термоядерных реакторов в течение следующих двух десятилетий вызвали растущую озабоченность, связанную с интеллектуальной собственностью в области термоядерного синтеза, международным регулирующим управлением и глобальным лидерством; ^[121] справедливое глобальное социально-экономическое развитие термоядерной энергии и возможность использования термоядерной энергии в качестве оружия с серьезными последствиями для геополитической стабильности. ^{[118] [138]}

События сентября и октября 2020 года привели к тому, что термоядерный синтез был описан как «новая космическая гонка» с множеством участников, в результате чего США выступили против китайской ENN Energy Holdings ^[139] и британской STEP FPP. 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 создана по образцу программы НАСА COTS, положившей начало коммерческой космической отрасли . ^[117] Впоследствии, в феврале 2021 г., были опубликованы публикации Национальных академий.Отчет «Внедрение Fusion в сеть США» , рекомендующий национальную термоядерную электростанцию ​​с разделением затрат на рыночные затраты на 2035–2040 годы, ^{[140] [141] [142]} и запуск двухпартийной фракции Fusion в Конгрессе. ^[143]

В декабре 2020 года независимая группа экспертов рассмотрела проект EUROfusion и научно-исследовательские работы над DEMO, и EUROfusion подтвердила, что продолжает следующий этап своей Дорожной карты Fusion Energy, а именно концептуальный дизайн DEMO в партнерстве с европейским термоядерным сообществом и промышленность, предполагая, что в гонку вступила поддерживаемая ЕС DEMO-фазовая машина. ^[144]

Преимущества [ править ]

Термоядерная энергия могла бы обеспечить больше энергии для данного веса топлива, чем любой энергопотребляющий источник энергии, используемый в настоящее время ^[145], 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. ^[146] 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. ^{[147] [148]}

Энергия термоядерного синтеза может быть использована в межзвездном пространстве, где солнечная энергия недоступна. ^{[149] [150]}

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 главным сторонником протон-протонной цепной реакции (реакции PP) как основной системы, управляющей Солнцем . ^[136]

Нейтроны от термоядерного синтеза были впервые обнаружены сотрудниками Эрнеста Резерфорда в Кембриджском университете в 1933 году. ^[151] Эксперимент был разработан Марком Олифантом и включал ускорение протонов по направлению к цели ^[152] 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 ). ^{[153] [154] [155] [156]}

Теория была подтверждена Гансом Бете в 1939 году, показав, что бета-распад и квантовое туннелирование в ядре Солнца могут преобразовать один из протонов в нейтрон и тем самым произвести дейтерий, а не дипротон. Затем дейтерий будет плавиться в других реакциях, чтобы еще больше увеличить выход энергии. За эту работу Бете получила Нобелевскую премию по физике . ^[136]

Первый патент на термоядерный реактор был зарегистрирован в 1946 году ^[157] 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. ^[136]

1950-е [ 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 - для сравнения, почти мгновенно. Это увеличивает эффективность бомб: обычное оружие деления разрывается на части прежде, чем будет израсходовано все топливо; У оружия синтеза / деления нет 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 подделкой, 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 эту концепцию своим новым коллегам из Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL). Когда он услышал о предложениях Спитцера о финансировании, он подал заявку на создание собственной машины, « Возможноатрон» . ^[136]

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 . ^[136]

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. ^{[158] [159]}

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 ». ^[160] Очень вероятно, что Штраус имел в виду водородный синтез ^[161], который тайно разрабатывался как часть проекта Шервуд.в то время, но заявление Штрауса было истолковано как обещание очень дешевой энергии от ядерного деления. Сама AEC США всего несколько месяцев назад 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. .. " ^[162]

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 своей области 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, похоже, единственный способ удержать плазму в стабильной конфигурации - это использовать выпуклые поля, конфигурацию «каспа». ^{[163] : 118}

Когда встреча завершилась, большинство исследователей быстро подготовили документы, в которых говорилось, почему опасения Теллера не относятся к их конкретному устройству. Пинч-машины вообще не использовали магнитные поля таким образом, в то время как зеркало и стелларатор, казалось, имели 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. ^{[163] : 118}

Самым большим «классическим» зажимным устройством был ZETA , включающий все эти предлагаемые обновления, 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 разным 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 прекратила свои эксперименты в 1968 году. ^[136]

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. ^[164]К 1965 году в общей сложности $ 21 млн было потрачено на программу и не штатное расписание не достигли выше 65. ^{[ править ]}

В 1950-1951 И. Е. Тамм и А.Д. Сахаров в СССР , первый обсудили 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, объединил маломощное пинчевое 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 значительно улучшила время удержания и плотность, что привело к огромным улучшениям по сравнению с существующими устройствами. ^[136]

1960-е [ править ]

Ключевой текст по физике плазмы был опубликован Лайманом Спитцером в Принстоне в 1963 году. ^[165] Спитцер взял законы идеального газа и адаптировал их к ионизированной плазме, разработав многие из фундаментальных уравнений, используемых 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. При прямом приводе лазер взрывает гранулу с горючим. При непрямом приводе 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. ^[166] 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 сотрудниками Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса. ^[167] Зеркало состояло из двух больших магнитов, расположенных так, чтобы внутри них были сильные поля, и более слабое, но связанное поле между ними. Плазма, попавшая в область между двумя магнитами, «отскочит» от более сильных полей в середине.

Группа А.Д. Сахарова построила первые токамаки, наиболее успешными из которых были Т-3 и его более крупный вариант Т-4. Т-4 был испытан в 1968 году в Новосибирске , что привело к первой в мире квазистационарной термоядерной реакции. ^{[168] : 90} Когда об этом было впервые объявлено, международное сообщество было настроено весьма скептически. Однако британскую команду пригласили посмотреть Т-3, и после тщательных измерений они опубликовали свои 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. ^[136]

В своей работе с электронными лампами Фило Фарнсворт заметил, что электрический заряд будет накапливаться в областях лампы. Сегодня этот эффект известен как эффект мультипактора . ^[169] Фарнсворт рассуждал, что если ионы будут достаточно высоки, они могут столкнуться и слиться. В 1962 году он подал патент на конструкцию, в которой использовалась положительная внутренняя клетка для концентрации плазмы с целью достижения ядерного синтеза. ^[170] В это время Роберт Л. Хирш присоединился к лаборатории Фарнсвортского телевидения и начал работу над тем, что стало фузором. Хирш запатентовал дизайн в 1966 году ^[171] и опубликовал дизайн в 1967 году ^[172].

1970-е [ править ]

В 1972 году Джон Наколлс изложил идею зажигания. ^[22] Это цепная реакция синтеза. Горячий гелий, полученный во время 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. К ним относятся аргус , циклоп , янус , длинный путь , лазер Шивы и Нова в 1984 году. Это побудило Великобританию построить Центральную лазерную установку в 1976 году. ^[173]

За это время были сделаны большие успехи в понимании системы токамаков. ^[174] 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 «острове H-режима». повышенной устойчивости. ^[175] Два других дизайна также стали достаточно хорошо изученными; компактный токамак соединен с магнитами внутри вакуумной камеры ^{[176] [177], в} то время как сферический токамак уменьшает его поперечное сечение, насколько это возможно. ^{[178] [179]}

В 1974 г. исследование результатов ZETA продемонстрировало интересный побочный эффект; после окончания 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 ) впервые в мире осуществила лазерно-индуцированный синтез дейтериево-тритиевой таблетки. ^[180]

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. ^{[181] : 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 . ^[182] 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, приближающихся к футбольному полю, Шива был первым из мегалазеров. ^{[182] В} том же году проект JET был одобрен Европейской Комиссией, и место было выбрано.

1980-е [ 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, ^{[183] : 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. ^{[184] [185]} Ряд учреждений сотрудничали на этих машинах, проводя эксперименты. К ним относятся 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 . ^[186]

В Laser Fusion прогрессировал: 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. ^[187] 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 для преобразования инфракрасных лазерных лучей в ультрафиолетовые. В 1985 году Донна Стрикленд ^[188] 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. ^[189]

За это время Лос-Аламосская национальная лаборатория построила ряд лазерных установок. ^[190] Сюда входят Близнецы (двухлучевая система), Гелиос (восемь лучей), Антарес (24 луча) и Аврора (96 лучей). ^{[191] [192]} Программа завершилась в начале девяностых, ее стоимость составила порядка одного миллиарда долларов. ^[190]

В 1987 году Акира Хасегава ^[193] 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 годов (с 1983 по 1988 год). Это был токамак, построенный в Кадараше , Франция. ^[194] В 1983 году был завершен JET и получены первые плазмы. В 1985 году был завершен японский токамак JT-60 . В 1988 году был достроен советский токамак Т-15 . Это был первый промышленный термоядерный реактор, в котором для управления плазмой использовались сверхпроводящие магниты (охлаждаемые гелием) . ^[195]

В 1989 году Понс и Флейшманн представили статьи в Journal of Electroanalytical Chemistry, утверждая, что они наблюдали термоядерный синтез в устройстве при комнатной температуре, и раскрыли свою работу в пресс-релизе. ^[196] 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, принимая во внимание несколько причин, по которым холодный синтез маловероятен, открытие возможных источников экспериментальной ошибки и, наконец, открытие того, что Флейшманн и Понс на самом деле не обнаружили побочных продуктов ядерных реакций. ^{[197] [198] [199] [200]}К концу 1989 года большинство ученых сочли заявления о холодном синтезе мертвыми ^[197], и впоследствии холодный синтез приобрел репутацию патологической науки . ^[201] Однако небольшое сообщество исследователей продолжает исследовать холодный синтез ^{[197] [202] [203] [204] [205],} утверждая, что они повторяют результаты Флейшмана и Понса, включая побочные продукты ядерных реакций. ^{[206] [207]} Утверждениям, связанным с холодным синтезом, в основном не верят в основном научном сообществе. ^[208] 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. ^{[209] [210] [208]}

В 1984 году Мартин Пэн из ORNL предложил ^[211] 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. ^{[212] : B247 [213] : 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 . ^{[213] : 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 введен в эксплуатацию в январе 1991 года. ^{[212] : 11}

1990-е [ править ]

В 1991 году в рамках предварительного эксперимента с тритием в Joint European Torus в Англии был достигнут первый в мире контролируемый выброс термоядерной энергии. ^[214]

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. ^[215] За этим последовала большая обзорная статья Джона Линдла в 1995 г. ^[216], 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 ,Лазерный мегаджоуль 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. ^{[217] [218]} В ответ Тодд Райдер из Массачусетского технологического института разработал общие модели этих устройств. ^[219] Райдер утверждал, что все плазменные системы в термодинамическом равновесии фундаментально ограничены. В 1995 году Уильям Невинс опубликовал критику ^{[220], 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 работает до сих пор. ^[221] Тем временем доктор Джордж Х. Майли из Иллинойса построил небольшой фузор, который производил нейтроны с использованием газообразного дейтерия ^{[222] [223],} и открыл «звездный режим» работы фузора. В следующем году был проведен первый «Американо-японский семинар по IEC Fusion». В это время в Европе Daimler-Chrysler и NSD Fusion разработали устройство IEC как коммерческий источник нейтронов . ^{[224] [225]}

В следующем году Z-машина была модернизирована и открыта для публики армией США в августе 1998 года в Scientific American. ^[226] Ключевыми атрибутами Z-машины Sandia ^[227] 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 . ^[228] Запуск Z-машины стал способом проверки условий очень высокой энергии и высокой температуры (2 миллиарда градусов). ^[229] В 1996 году Tore Supra создает плазму в течение двух минут с током почти в 1 миллион ампер, неиндуктивно управляемым мощностью 2,3 МВт.волны нижней гибридной частоты . Это 280 МДж введенной и извлеченной энергии. Этот результат стал возможным из-за активно охлаждаемые плазменные обращенные компоненты ^{[ править ]}

В 1997 году JET произвел пиковую мощность термоядерного синтеза в 16,1 МВт (65% тепла в плазму ^[230] ) 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 производства в десять раз большей мощности термоядерного синтеза, чем мощность, вложенная в плазму . ИТЭР в настоящее время строится в Кадараше , Франция. ^[231]

В конце девяностых, команда в Колумбийском университете и MIT разработали левитирующий диполь , ^[232] слитое устройство , которое состояло из сверхпроводящего электромагнита, плавающий в форме тарелки вакуумной камеры. ^[233] Плазма закручивалась вокруг этого бублика и сливалась вдоль центральной оси. ^[234]

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. ^[240] Taleyarkhan позже был признан виновным в совершении проступка, ^[241] Управление военно - морских исследований отстранил его в течение 28 месяцев с момента получения федерального финансирования, ^[242]и его имя было внесено в «Список исключенных сторон». ^[242]

«Быстрое зажигание» ^{[243] [244]} 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 г. группа из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе объявила ^[245], что изобрела способ получения термоядерного синтеза с использованием машины, которая «помещается на лабораторном столе», с использованием танталата лития для генерирования напряжения, достаточного для разрушения атомов 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 . ^[246] 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 . ^{[247] [248]}

В это время исследователи из Массачусетского технологического института заинтересовались фузами для космических двигателей ^[249] и двигателями космических аппаратов. ^{[250] 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. ^[251] Роберт Бюссар начал открыто говорить о поливелле в 2006 году. ^[252] Перед своей смертью он пытался вызвать интерес ^[253] к исследованиям.

В марте 2009 года вступила в строй высокоэнергетическая лазерная система National Ignition Facility (NIF), расположенная в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса . ^[254]

В начале 2000-х годов было основано несколько частных термоядерных компаний, преследовавших инновационные подходы с заявленной целью разработки коммерчески жизнеспособных термоядерных электростанций. ^[255] Секретный стартап Tri Alpha Energy , основанный в 1998 году, начал изучать подход к конфигурированию с обращением поля . ^{[256] [257]} В 2002 году канадская компания General Fusion начала экспериментальные испытания концепции, основанные на гибридном магнито-инерционном подходе, названном Magnetized Target Fusion. ^{[256] [255] В} настоящее время эти компании финансируются частными инвесторами, включая Джеффа Безоса (General Fusion) и Пола Аллена (Tri Alpha Energy). ^[256]К концу десятилетия британская термоядерная компания Tokamak Energy начала исследовать сферические токамаки ; он использует повторное подключение, чтобы запустить токамак. ^[258]

2010-е [ править ]

Исследования по синтезу ускорились 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. ^[259] Термоядерный синтез исследовался NIF и французской Laser Mégajoule . В 2010 году исследователи НИФ провели серию «настраивающих» выстрелов для определения оптимальной конструкции мишени и параметров лазера для экспериментов по высокоэнергетическому воспламенению термоядерным топливом. ^{[260] [261]} Запуск испытаний проводился 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 выигрышем в энергии. ^[262]Однако этого не произошло до августа 2013 года. Учреждение сообщило, что их следующий шаг заключался в улучшении системы, чтобы не допустить асимметричного или преждевременного распада хохльраума. ^[263]

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. ^[264]

В апреле 2014 года Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса завершила программу лазерной инерционной термоядерной энергии (LIFE) и перенаправила свои усилия на NIF. ^[265] 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. ^[266] 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.^{[267] [268] [269]} 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. ^[270]

В январе 2015 года поливелл был представлен в Microsoft Research . ^[271] 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 сравнимую напряженность магнитного поля в меньшей конфигурации, чем другие конструкции. ^[272] 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. ^[273] Используя плазменные разряды продолжительностью до 30 минут, Wendelstein 7-X пытается продемонстрировать важнейшее 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. ^[270] Также в 2017 году британский термоядерный реактор ST40, эксплуатируемый Tokamak Energy, произвел «первую плазму». ^[274] 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. ^{[275] [276] [277] [278]}

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. . ^{[279] [280]}

2020-е [ править ]

В 2020 году энергетический гигант Chevron Corporation объявил об инвестициях в стартап в области термоядерной энергетики Zap Energy. ^[281] 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, ^[282] вместе в партнерстве с TAE Technologies, Princeton Fusion Systems и Tokamak Energy. ^[283]

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 в течение десятилетия. ^[284] План, основанный на успешном процессе планирования сообщества, ^[285] включает разработку объектов и программ, в том числе через государственно-частные партнерства, которые позволят построить термоядерную электростанцию ​​в США к 2040 году, если не раньше, в случае компактные устройства, что ставит США в прямую конкуренцию аналогичным усилиям Канады, Китая и Великобритании. ^{[286] [287]}

В январе 2021 года компания SuperOx объявила о выпуске в продажу нового сверхпроводящего провода HTS с токовой нагрузкой более 700 А / мм2. Эта проволока должна значительно повысить производительность сварочных аппаратов. ^[288]

Записи [ править ]

Рекорды Fusion были установлены рядом устройств. Некоторые следуют:

Температура плазмы [ править ]

Самая горячая плазма, удерживаемая в термоядерном аппарате, составляет 522 миллиона кельвинов, это было установлено токамаком JT-60 в Японии в 1996 году. ^[289]

Сила термоядерного синтеза [ править ]

Мгновенная мощность термоядерного синтеза может быть измерена в плазме DT или рассчитана для плазмы без термоядерного синтеза и экстраполирована на плазму DT. JET сообщил о 16 МВт в 1997 году. ^[290]

Плазменное давление [ 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. ^[291]

Критерий Лоусона [ править ]

Что касается тройного продукта термоядерного синтеза, JT-60 сообщил о 1,53x10 ²¹ кэВ · см ^-3 . ^{[292] [293]}

Коэффициент усиления энергии термоядерного синтеза Q [ править ]

Отношение энергии, произведенной термоядерным синтезом, 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 в результате реакций синтеза плазма генерировала 16 МВт мощности по сравнению с 23 МВт при нагревании плазмы. ^[290]

В некоторых экспериментах заявлено значение Q, как если бы они использовали DT, на основании 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 обратной полярностью поля максимальное время работы составляет 300 мс, что установлено конфигурацией с обратной полярностью в принстонском поле в августе 2016 года. ^[294] Однако это не связано с синтезом.

Стелларатор , Вендельштайн 7-Х , провел плазму в течение 100 секунд. ^{[295] [296]}

Бета [ править ]

Мощность термоядерного синтеза увеличивается по мере увеличения удержания плазмы до четвертой степени. ^[297] Следовательно, получение мощной плазменной ловушки имеет реальную ценность для термоядерной электростанции. Плазма обладает очень хорошей электропроводностью . Это открывает возможность удержания плазмы с помощью магнитного поля , известного как магнитное удержание . Поле оказывает магнитное давление на плазму, которая удерживает ее. Широко используемой мерой магнитного захвата при термоядерном синтезе является бета-отношение (давление плазмы / давление магнитного поля):

${\displaystyle \beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}}$^{[298] : 115}

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

1. Машина СТАРТ : 0,32
2. Левитировал дипольный эксперимент: ^[299] 0,26
3. Сферомаки: ≈ 0,1, ^[300] Максимум 0,2 на основе лимита Мерсье. ^[301]
4. Машина DIII-D : 0,126 ^{[ необходима цитата ]}
5. Газ Динамической ловушка магнитное зеркало: 0,6 ^[302] для 5Х-3 секунд. ^[303]
6. Продолжительный эксперимент с плазмой сферомака в национальных лабораториях Лос-Аламоса <0,05 в течение 4E-6 секунд. ^[304]

См. Также [ править ]

Викискладе есть медиафайлы, связанные с термоядерными реакторами .

Ссылки [ править ]