Это хорошая статья. Для получения дополнительной информации нажмите здесь.
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Рендеринг термоядерной электростанции LIFE.1. Система термоядерного синтеза находится в большом цилиндрическом здании защитной оболочки в центре.

LIFE , сокращенно от Laser Inertial Fusion Energy , представляла собой попытку создания термоядерной энергии, проводившуюся в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в период с 2008 по 2013 год. LIFE была направлена ​​на разработку технологий, необходимых для преобразования концепции термоядерного синтеза с инерционным удержанием, управляемой лазером, которая разрабатывалась в Национальном центре зажигания ( National Ignition Facility). NIF) в практическую коммерческую электростанцию , концепция, широко известная как инерционная термоядерная энергия (IFE). LIFE использовала те же базовые концепции, что и NIF, но была направлена ​​на снижение затрат за счет массового производства топливных элементов, упрощенного обслуживания и диодных лазеров с более высоким электрическим КПД.

Были рассмотрены две конструкции, работающие либо как чистая термоядерная, либо как гибридная термоядерная-делительная система . В первом случае энергия, генерируемая реакциями синтеза, используется напрямую. В последнем случае нейтроны , испускаемые реакциями синтеза, используются для того, чтобы вызвать реакции деления в окружающем бланкете урана или другого ядерного топлива , и эти события деления ответственны за большую часть высвобождения энергии. В обоих случаях для извлечения тепла и производства электроэнергии используются обычные паротурбинные установки.

Строительство NIF завершилось в 2009 году, и началась длительная серия пусковых испытаний, чтобы вывести его на полную мощность. В течение 2011 и 2012 годов NIF проводил «национальную кампанию зажигания», чтобы достичь точки, в которой реакция синтеза становится самоподдерживающейся , что является ключевой целью, которая является основным требованием любой практической системы IFE. NIF не удалось достичь этой цели, поскольку характеристики термоядерного синтеза были значительно ниже уровней воспламенения и значительно отличались от прогнозов. Поскольку проблема возгорания не решена, проект LIFE был закрыт в 2013 году.

Программа LIFE подверглась критике за ее разработку за то, что она основана на физике, которая еще не была продемонстрирована. В однозначной оценке Роберт МакКрори, директор Лаборатории лазерной энергетики , заявил: «По моему мнению, чрезмерно многообещающие и чрезмерные продажи LIFE оказали медвежью услугу Ливерморской лаборатории Лоуренса». [1]

Фон [ править ]

Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса (LLNL) является лидером в области термоядерного синтеза с инерционным удержанием (ICF) с лазерным управлением, так как первоначальная концепция была разработана сотрудником LLNL Джоном Наколсом в конце 1950-х годов. [2] [3] Основная идея заключалась в использовании драйвера для сжатия небольшой гранулы, известной как мишень, которая содержит термоядерное топливо, смесь дейтерия (D) и трития (T). Если сжатие достигает достаточно высоких значений, начинают происходить реакции синтеза с высвобождением альфа-частиц и нейтронов.. Альфа-частицы могут воздействовать на атомы в окружающем топливе, нагревая их до точки, в которой они также претерпевают синтез. Если скорость альфа-нагрева выше, чем потери тепла в окружающую среду, результатом является самоподдерживающаяся цепная реакция, известная как воспламенение . [4] [5]

Сравнивая затраты энергии драйвера на выход термоядерной энергии производит ряд , известный как коэффициент усиления термоядерной энергии , обозначенный Q . Для выработки чистой энергии системой требуется значение Q не менее 1. Так как некоторое количество энергии требуется для запуска реактора, для того , чтобы там быть чистым электрическим выходом, Q должен быть по крайней мере 3. [6] Для коммерческой эксплуатации, Q значения гораздо выше , чем это необходимо. [7] Для ICF, Qпорядка от 25 до 50 необходимы для возмещения потерь при выработке электроэнергии и большого количества энергии, используемой для питания драйвера. Осенью 1960 года теоретические исследования, проведенные в LLNL, показали, что прирост необходимого порядка возможен с драйверами порядка 1 МДж. [8]

В то время рассматривался ряд различных драйверов, но появление лазера позже в том же году предоставило первое очевидное решение с правильным сочетанием функций. Желаемые энергии были далеко за пределами современного уровня техники , поэтому в середине 1960-х LLNL начала программу развития, чтобы достичь этих уровней. [9] Каждое увеличение энергии приводило к новым и неожиданным оптическим явлениям, которые необходимо было преодолеть, но они были в основном решены к середине 1970-х годов. Работая параллельно с лазерными командами, физики, изучающие ожидаемую реакцию с помощью компьютерного моделирования, адаптированного из работы с термоядерной бомбой, разработали программу, известную как LASNEX, которая предложилаQ = 1 может быть произведено на гораздо более низких уровнях энергии, в диапазоне килоджоулей, на уровнях, которые команда лазеров теперь могла доставить. [10] [11]

С конца 1970-х LLNL разработала серию машин для достижения условий, предсказываемых LASNEX и другими моделями. На каждой итерации экспериментальные результаты показали, что моделирование было неверным. Первая машина, лазер Shiva в конце 1970-х, произвела сжатие от 50 до 100 раз, но не вызвала реакций синтеза даже близко к ожидаемым уровням. Проблема заключалась в том, что инфракрасный лазерный свет нагревает электроны и смешивает их с топливом, и было высказано предположение, что использование ультрафиолетового света решит проблему. Это было решено на лазере Nova.1980-х годов, который был разработан с особой целью производить зажигание. «Нова» действительно произвела большое количество термоядерного синтеза, при этом выстрелы производили до 10 7 нейтронов, но не достигли воспламенения. Это было связано с ростом неустойчивостей Рэлея – Тейлора , которые значительно увеличивали требуемую мощность драйвера. [12]

В конце концов, все эти проблемы были сочтены хорошо изученными, и появился гораздо более крупный проект - NIF. NIF был разработан, чтобы обеспечить примерно вдвое большую энергию драйвера, что допускает некоторую погрешность. Проект NIF был завершен в 1994 году, а строительство должно быть завершено к 2002 году. Строительство началось в 1997 году, но на его завершение потребовалось более десяти лет, при этом основные строительные работы были объявлены завершенными в 2009 году [13].

ЖИЗНЬ [ править ]

На протяжении разработки концепции ICF в LLNL и других местах было предпринято несколько небольших усилий по рассмотрению проекта коммерческой электростанции на основе концепции ICF. Примеры включают SOLASE-H [14] и HYLIFE-II. [15] По мере того как в 2008 году NIF подходил к завершению, когда различные проблемы считались решенными, LLNL приступила к более серьезным усилиям по разработке IFE - LIFE. [16]

Гибрид термоядерного деления [ править ]

Когда проект LIFE был впервые предложен, он был сосредоточен на гибридной концепции ядерного синтеза и деления , в которой быстрые нейтроны из реакций синтеза используются для индукции деления в плодородных ядерных материалах . [17] Гибридная концепция была разработана для выработки энергии как из фертильного, так и из делящегося ядерного топлива и для сжигания ядерных отходов. [18] [19] [20] Топливный бланкет был разработан для использования топлива на основе TRISO, охлаждаемого расплавом солей из смеси  фторида лития  (LiF) и  фторида бериллия  (BeF 2 ). [21]

Обычные силовые установки деления полагаются на цепную реакцию, вызванную, когда события деления высвобождают тепловые нейтроны, которые вызывают дальнейшие события деления. Каждое событие деления в U-235 высвобождает два или три нейтрона с кинетической энергией около 2 МэВ . Путем тщательной компоновки и использования различных материалов поглотителя разработчики могут сбалансировать систему так, чтобы один из этих нейтронов вызвал еще одно событие деления, а другие один или два были потеряны. Этот баланс известен как критичность . Природный уран представляет собой смесь трех изотопов; в основном U-238, с некоторым количеством U-235 и следовыми количествами U-234. Нейтроны, высвобождающиеся при делении любого из основных изотопов, вызовут деление в U-235, но не в U-238, что требует более высоких энергий около 5 МэВ. В природном уране недостаточно U-235 для достижения критичности. В коммерческих легководных ядерных реакторах , наиболее распространенных энергетических реакторах в мире, используется ядерное топливо, содержащее уран с обогащением до 3-5% по U-235, а остаточным является U-238. [22] [23]

Каждое событие термоядерного синтеза в термоядерном реакторе DT испускает альфа-частицу и быстрый нейтрон с кинетической энергией около 14 МэВ. Этой энергии достаточно, чтобы вызвать деление U-238, а также многих других трансурановых элементов . Эта реакция используется в водородных бомбах для увеличения мощности термоядерной секции за счет ее обертывания слоем обедненного урана , который подвергается быстрому делению при попадании нейтронов из термоядерной бомбы внутри. Та же основная концепция может также использоваться с термоядерным реактором, таким как LIFE, используя его нейтроны, чтобы вызвать деление в бланкете топлива деления. В отличие от реактора деления, в котором топливо выгорает, когда уровень U-235 падает ниже определенного порогового значения, [a]эти гибридные реакторы деления и синтеза могут продолжать вырабатывать энергию из топлива деления, пока термоядерный реактор продолжает вырабатывать нейтроны. Поскольку нейтроны обладают высокой энергией, они потенциально могут вызвать множественные события деления, в результате чего реактор в целом будет производить больше энергии, концепция, известная как умножение энергии . [25] Даже оставшееся ядерное топливо, взятое из обычных ядерных реакторов, будет гореть таким образом. Это потенциально привлекательно, потому что при этом сжигаются многие долгоживущие радиоизотопы, образуя лишь умеренно радиоактивные отходы, в которых отсутствуют самые долгоживущие компоненты. [17]

В большинстве конструкций термоядерной энергии термоядерные нейтроны реагируют с защитным слоем лития с образованием нового трития для топлива. Основной проблемой конструкции деления-синтеза является то, что нейтроны, вызывающие деление, больше не доступны для воспроизводства трития. Хотя реакции деления высвобождают дополнительные нейтроны, у них недостаточно энергии для завершения реакции воспроизводства с Li-7, который составляет более 92% природного лития. Эти нейтроны с более низкой энергией вызовут размножение Li-6, который может быть сконцентрирован из природной литиевой руды. Однако реакция Li-6 производит только один тритий на нейтрон, захваченный, и требуется более одной T на нейтрон, чтобы восполнить естественный распад и другие потери. [26]Используя Li-6, нейтроны от деления будут компенсировать потери, но только за счет того, что они не будут вызывать другие реакции деления, что снизит выходную мощность реактора. Дизайнер должен выбрать, что важнее; сжигание топлива за счет нейтронов термоядерного синтеза или обеспечение энергией за счет событий самоиндуцированного деления. [27]

Экономика конструкций деления-термоядерного синтеза всегда вызывала сомнения. Тот же самый основной эффект может быть получен путем замены центрального термоядерного реактора на специально сконструированный реактор деления и использования избыточных нейтронов деления для размножения топлива в бланкете. Эти реакторы-размножители на быстрых нейтронах оказались неэкономичными на практике, и большая стоимость систем термоядерного синтеза в гибридных реакторах деления-термоядерного синтеза всегда предполагала, что они будут неэкономичными, если не будут построены в очень больших установках. [28]

Чистый IFE [ править ]

Многосекционная конструкция камеры-мишени Национального центра зажигания также будет использоваться в LIFE. Несколько камер будут использоваться на производственной электростанции, что позволит их заменять для обслуживания.

Концепция LIFE перестала работать на линиях термоядерного синтеза примерно в 2009 году. После консультаций с их партнерами в энергетической отрасли проект был перенаправлен на разработку чисто термоядерного синтеза с чистой электрической мощностью около 1 гигаватта. [29]

Термоядерный синтез с инерционным удержанием  - одно из двух основных направлений развития термоядерной энергии, второе - термоядерный синтез с магнитным удержанием (MCF), в частности, концепция токамака, которая строится в крупной экспериментальной системе, известной как ITER . Магнитное удержание широко считается более совершенным подходом, и за последние десятилетия в нем значительно активизировались разработки. Однако есть серьезные опасения, что подход ITER с MCF никогда не станет экономически практичным. [30]

Одна из проблем стоимости конструкций MCF, таких как ITER, заключается в том, что материалы реактора подвергаются интенсивному потоку нейтронов, создаваемому реакциями синтеза. Когда нейтроны высоких энергий сталкиваются с материалами, они смещают атомы в структуре, что приводит к проблеме, известной как нейтронное охрупчивание, которая ухудшает структурную целостность материала. Это проблема и для реакторов деления, но поток и энергия нейтронов в токамаке больше, чем в большинстве конструкций деления. В большинстве конструкций MFE реактор построен послойно, с тороидальной внутренней вакуумной камерой или «первой стенкой», затем литиевым бланкетом и, наконец, сверхпроводящими магнитами.которые создают поле, ограничивающее плазму. Нейтроны, останавливающиеся в одеяле, желательны, но те, которые останавливаются в первой стене или магнитах, разрушают их. Разборка тороидальной стопки элементов была бы трудоемким процессом, который привел бы к низкому коэффициенту пропускной способности , что существенно сказалось бы на экономике системы. Снижение этого эффекта требует использования экзотических материалов, которые еще не были разработаны. [31]

В качестве естественного побочного эффекта размера тепловыделяющих элементов и вызванных ими взрывов конструкции ICF используют очень большую реакционную камеру во много метров в поперечнике. Это снижает поток нейтронов на любой конкретной части стенки камеры по закону обратных квадратов.. Кроме того, поблизости или внутри реактора нет магнитов или других сложных систем, а лазер изолирован на дальней стороне длинных оптических путей. Дальняя сторона камеры пуста, что позволяет разместить там одеяло и легко ухаживать за ним. Хотя стенки реакционной камеры и конечная оптика в конечном итоге станут хрупкими и потребуют замены, камера по существу представляет собой большой стальной шар относительно простой составной конструкции, которую можно заменить без особых усилий. Реакционная камера в целом значительно проще, чем в концепциях магнитного термоядерного синтеза, и в проектах LIFE предлагалось построить несколько и быстро сдать их в производство и списать с производства. [32]

Ограничения IFE [ править ]

Огромные фонари NIF неэффективны и непрактичны. Компания LIFE изучала решения по замене этих ламп меньшими по размеру и гораздо более эффективными светодиодными лазерами.

В лазере NIF используется система больших фотовспышек (например, в фотовспышках) для оптической накачки большого количества стеклянных пластин. Как только пластины вспыхивают и устанавливаются в инверсную населенность , небольшой сигнал от отдельного лазера подается в оптические линии, стимулируя излучение пластин. Затем пластины сбрасывают накопленную энергию в растущий луч, усиливая его в миллиарды раз. [33]

Процесс крайне неэффективен с энергетической точки зрения; NIF питает лампы-вспышки более 400 МДж энергии, что дает 1,8 МДж ультрафиолетового (УФ) света. Из-за ограничений целевой камеры NIF может обрабатывать только выходную мощность термоядерного синтеза примерно до 50 МДж, хотя выстрелов обычно составляет примерно половину этой мощности. Учет потерь в поколения, возможно , 20 МДж электрической энергии может быть извлечена в максимуме, что составляет менее 1 / 20 от входной энергии. [33]

Еще одна проблема с лазерами NIF заключается в том, что лампы-вспышки выделяют значительное количество тепла, которое нагревает лазерное стекло достаточно, чтобы вызвать его деформацию. Для этого требуется длительный период охлаждения между выстрелами, порядка 12 часов. На практике NIF обеспечивает менее одного выстрела в день. [34] Чтобы быть полезным в качестве силовой установки, каждую секунду необходимо было делать около дюжины выстрелов, что значительно превышает возможности лазеров NIF.

При первоначальном замысле компании Nuckols для удержания инерционного термоядерного синтеза, управляемого лазером, требовались лазеры мощностью в несколько сотен килоджоулей и использовались капли топлива, создаваемые парфюмерной системой . [35] Исследования LLNL с того времени показали, что такое устройство не может работать и требует механической обработки узлов для каждого выстрела. Чтобы быть экономически полезным, машина IFE должна была бы использовать топливные сборки, которые стоят копейки. Хотя LLNL не публикует цены на свои собственные мишени, аналогичная система в Лаборатории лазерной энергетики в Университете Рочестера выпускает мишени стоимостью около 1 миллиона долларов каждая. [36] Предполагается, что цели NIF стоят более 10 000 долларов. [37][38]

Меркурий [ править ]

LLNL начала изучать различные решения проблемы лазера, когда система только описывалась. В 1996 году они построили небольшую испытательную систему, известную как ртутный лазер, которая заменила лампы-вспышки лазерными диодами. [39]

Одним из преимуществ этой конструкции было то, что диоды создавали свет примерно на той же частоте, что и выходная частота лазерного стекла [40], по сравнению с лампами-вспышками белого света, где большая часть энергии вспышки тратится впустую, поскольку она не находится рядом с активной частотой. лазерного стекла. [41] Это изменение повысило энергоэффективность примерно до 10%, что является значительным улучшением. [39]

Для любого заданного количества световой энергии создано, диодные лазеры испускают около 1 / 3 , как много тепла , как ксеноновая лампа-вспышка. Меньшее количество тепла в сочетании с активным охлаждением в виде гелия, продуваемого между диодами и слоями лазерного стекла, устраняет нагрев стекла и позволяет Меркурию работать непрерывно. [40] В 2008 году Меркурий мог стрелять 10 раз в секунду со скоростью 50 джоулей за выстрел в течение нескольких часов. [39]

В нескольких других проектах, выполняемых параллельно с Mercury, изучались различные методы и концепции охлаждения, позволяющие разместить множество лазерных диодов в очень маленьком пространстве. В конечном итоге они создали систему с лазерной энергией 100 кВт из ящика длиной около 50 сантиметров (20 дюймов), известную как диодная матрица. В конструкции LIFE эти массивы заменят менее плотную диодную упаковку конструкции Mercury. [39]

Луч в коробке [ править ]

LIFE, по сути, представлял собой комбинацию концепций Mercury и новых физических устройств, позволяющих значительно уменьшить объем NIF и упростить его создание и обслуживание. В то время как длина луча NIF для одного из 192 лазеров превышает 100 метров (330 футов), LIFE был основан на конструкции длиной около 10,5 метров (34 фута), которая содержала все, от источников питания до оптики преобразования частоты. Каждый модуль был полностью независимым, в отличие от NIF, который питается от центрального сигнала от главного генератора, что позволяет снимать и заменять блоки по отдельности, в то время как система в целом продолжает работу. [42]

Каждая ячейка драйвера в базовой конструкции LIFE содержала две диодные матрицы высокой плотности, расположенные по обе стороны от большой пластины из лазерного стекла. Массивы охлаждались через соединительные трубы на обоих концах модуля. Первоначальный лазерный импульс обеспечивался модулем предусилителя, аналогичным модулю NIF, выход которого переключался на главный луч через зеркало и оптический переключатель ячейки Поккеля . Чтобы максимизировать энергию, вкладываемую в луч из лазерного стекла, использовались оптические переключатели, чтобы направить луч к зеркалам, чтобы четыре раза отразить свет через стекло, аналогично NIF. [40]Наконец, фокусировка и оптическая очистка обеспечивались оптикой по обе стороны от стекла, прежде чем луч выходил из системы через преобразователь частоты на одном конце. [42]

Небольшие размеры и независимость лазерных модулей позволили обойтись без огромного здания НИФ. Вместо этого модули были расположены группами вокруг целевой камеры в компактном расположении. В базовых конструкциях модули были уложены в группы по 2 и 8 в два кольца выше и ниже целевой камеры, светя их светом через небольшие отверстия, просверленные в камере, чтобы защитить их от возвращающегося нейтронного потока. [43]

Конечная цель состояла в том, чтобы создать систему, которую можно было бы доставить в обычном грузовике с полуприцепом на электростанцию, обеспечивая лазерную энергию со сквозным КПД 18%, что в 15 раз больше, чем у системы NIF. Это снижает требуемый выигрыш от термоядерного синтеза в диапазоне от 25 до 50 в пределах прогнозируемых значений для NIF. Консенсус заключался в том, что эта система «луч в коробке» может быть построена за 3 цента за ватт выходной мощности лазера, а при устойчивом производстве она снизится до 0,7 цента / Вт. Это будет означать, что для всего завода LIFE потребуются только диоды на сумму около 600 миллионов долларов, что немало, но в пределах экономической возможности. [42]

Недорогие мишени [ править ]

Мишени NIF (по центру, в держателе) представляют собой дорогие механически обработанные узлы, каждая из которых стоит тысячи долларов. Компания LIFE работала с партнерами по отрасли, чтобы снизить эту сумму до менее чем доллара.

Мишени для NIF чрезвычайно дороги. Каждый из них состоит из небольшого металлического цилиндра с открытым концом с прозрачными двойными стеклопакетами, закрывающими каждый конец. Чтобы эффективно преобразовывать свет драйвера лазера в рентгеновские лучи , вызывающие сжатие, цилиндр должен быть покрыт золотом или другими тяжелыми металлами.. Внутри на тонких пластиковых тросах находится полая пластмассовая сфера с топливом. Чтобы обеспечить симметричную имплозию, металлический цилиндр и пластмассовая сфера имеют чрезвычайно высокие допуски на обработку. Топливо, обычно газ при комнатной температуре, осаждается внутри сферы и затем подвергается криогенной заморозке до тех пор, пока не прилипнет к внутренней части сферы. Затем его разглаживают, медленно нагревая инфракрасным лазером, чтобы сформировать гладкий слой толщиной 100 мкм на внутренней стороне гранулы. Каждая цель стоит десятки тысяч долларов. [37]

Чтобы решить эту проблему, компания LIFE приложила значительные усилия для разработки упрощенных целевых конструкций и автоматизированного строительства, которые снизили бы их стоимость. Работая с General Atomics , команда LIFE разработала концепцию использования местных топливных заводов, которые будут массово производить пеллеты со скоростью около миллиона в день. Ожидалось, что это снизит их цену примерно до 25 центов за цель [44], хотя другие источники предполагают, что целевая цена была ближе к 50 центам, а собственные оценки LLNL колеблются от 20 до 30 центов. [45]

Одним из менее очевидных преимуществ концепции LIFE является то, что количество трития, необходимое для запуска системы, значительно меньше по сравнению с концепциями MFE. В MFE относительно большое количество топлива подготавливается и загружается в реактор, для чего требуется большая часть всего мирового гражданского запаса трития только для запуска. Жизнь, в силу небольшого количества топлива в какой - либо одной грануле, может начать операции с намного меньшим количеством трития, по заказу 1 / 10 . [32]

Общий дизайн [ править ]

Система термоядерного синтеза LIFE.1 / MEP. Лазеры представляют собой серые коробки, расположенные группами вверху и внизу здания содержания (нижние только видны). Их свет, отмеченный синим цветом, отражается по оптическим путям в целевую камеру в центре. Механизм слева обеспечивает циркуляцию жидкого лития или FLiBe , который отводит тепло из камеры для ее охлаждения, обеспечивает теплом генераторы и извлекает тритий для топлива.

Ранние проекты термоядерного синтеза не были хорошо разработаны, и были показаны только схематические очертания концепции. Эти системы выглядели как уменьшенная версия NIF с лучевыми линиями длиной около 100 метров (330 футов) по обе стороны от целевой камеры и зоны выработки электроэнергии. Лазер производил 1,4 МДж УФ-излучения 13 раз в секунду. Термоядерный синтез происходил в целевой камере размером 2,5 метра (8 футов 2 дюйма), которая была окружена 40 короткими тоннами (36 000 кг) необогащенного топлива деления, или, поочередно, примерно 7 короткими тоннами (6 400 кг) Pu или высокообогащенного урана из оружия. . Ожидалось, что термоядерная система произведет Qпорядка 25–30, что дает от 350 до 500 МВт энергии термоядерного синтеза. Процессы деления, вызванные термоядерным синтезом, добавят дополнительный выигрыш в энергии в 4-10 раз, в результате чего общая тепловая мощность составит от 2000 до 5000 МВт- тепл . Использование высокоэффективных систем преобразования тепла в электрическую энергию, таких как конструкции цикла Ренкина, в сочетании с продемонстрированными сверхкритическими парогенераторами позволило бы превратить около половины тепловой мощности в электричество. [46] [47]

К 2012 году базовый проект концепции чистого термоядерного синтеза, известной как установка выхода на рынок (MEP), [b] стабилизировался. Это была замкнутая конструкция, в которой вся термоядерная секция была упакована в цилиндрическое бетонное здание, мало чем отличавшееся от локализационного здания реактора деления, хотя и большего размера - 100 метров (330 футов) в диаметре. [49] Центральное здание было окружено меньшими прямоугольными зданиями с обеих сторон, в одном из которых находились турбины и системы управления энергией, а в другом - тритиевый завод. Третье здание, прикрепленное к заводу или позади него, в зависимости от схемы, использовалось для обслуживания. [50]

Внутри центрального корпуса термоядерного синтеза лазеры типа «луч в коробке» были расположены в виде двух колец, одно над и одно под камерой мишени. В общей сложности 384 лазера дадут 2,2 МДж УФ-света на длине волны 0,351 микрометра [40], обеспечивая добротность 21. Пушка на легком газе использовалась для попадания 15 целей в секунду в камеру мишени. [51] С каждым выстрелом температура внутренней стенки целевой камеры повышается с 600 ° C (1112 ° F) до 800 ° C (1470 ° F). [52]

Целевая камера представляет собой двухстенную конструкцию, заполненную жидким литием или литиевым сплавом между стенками. [53] Литий захватывает нейтроны от реакций образования трития, а также действует как контур теплоносителя первого контура. [54] Камера заполнена газообразным ксеноном , который замедляет реакцию ионов, а также защищает внутреннюю или первую стенку от массивного потока рентгеновских лучей . [50]Поскольку камера не находится под высоким давлением, как ядро ​​деления, ее не нужно строить как единую сферу. Вместо этого камера LIFE состоит из восьми идентичных секций, которые имеют встроенные соединения с охлаждающим контуром. Они отправляются на завод и скрепляются болтами на двух опорах, а затем окружаются пространственной рамой на основе труб. [55]

Чтобы справиться с охрупчиванием, вся целевая камера была спроектирована таким образом, чтобы ее можно было легко выкатить из центра здания по рельсам в здание технического обслуживания, где ее можно было восстановить. Предполагалось, что камера прослужит четыре года и будет заменена через месяц. Оптическая система отделена от камеры, что изолирует ее от вибраций во время работы и означает, что сами лучевые каналы не требуют повторной регулировки после замены камеры. [50]

Пиковая мощность электростанции, или паспортная мощность , составляла около 400 МВт, с конструктивными особенностями, позволяющими расширить ее до 1000 МВт. [56]

Экономика [ править ]

Параметры установки LIFE (MEP: прототип; LIFE.2: коммерческая установка первого поколения) [47]
MEPЖИЗНЬ.2
Энергия лазера на цели, МДж2.22.2
Целевая доходность, МДж132132
Частота следования импульсов, Гц8,316,7
Мощность термоядерного синтеза, МВт11002200
Тепловая мощность, МВт13202640
Материал камерыРАФМС [c]ОРВ
Радиус первой стены, м6.06.0
Нагрузка нейтронами на стенку, МВт / м 21,83,6
Тепловая нагрузка на поверхность, МВт / м 20,631,26
Коэффициент воспроизводства трития1.051.05
Теплоноситель первого контураЛиЛи
Промежуточная охлаждающая жидкостьРасплавленная сольРасплавленная соль
Температура на выходе из камеры, ° С530575
Эффективность преобразования,%4547
Полная мощность, МВт5951217
Потребляемая мощность лазера, МВт124248
Собственная электрическая нагрузка, МВт3464
Чистая электрическая мощность, МВт437905

Levelized стоимость электроэнергии (LCoE) можно вычислить путем деления общей стоимости на строительство и эксплуатацию системы энергоблока в течение его срока службы от общего количества электроэнергии , поставляемой в сеть в течение этого периода. Сумма денег, по сути, представляет собой комбинацию капитальных затрат ( CAPEX ) завода и процентных платежей по этим CAPEX, а также дисконтированной стоимости топлива, технического обслуживания, необходимого для поддержания его в рабочем состоянии и его демонтажа, дисконтированных эксплуатационных расходов, или OPEX. Количество мощности обычно рассчитывается путем рассмотрения пиковой мощности, которую может произвести установка, и последующей корректировки ее на коэффициент мощности.(CF) для учета времени простоя из-за технического обслуживания или преднамеренного регулирования. В качестве быстрого расчета можно игнорировать инфляцию, альтернативные издержки и незначительные операционные расходы, чтобы получить показатель качества для стоимости электроэнергии. [57]

МЭП не задумывался как производственный проект и мог бы экспортировать только небольшие объемы электроэнергии. Однако он послужил основой для первой серийной модели LIFE.2. LIFE.2 будет производить 2,2 ГВт термоядерной энергии и преобразовывать ее в 1 ГВт электрической при 48% эффективности. [51] В течение года LIFE будет производить 365 дней x 24 часа x коэффициент мощности 0,9 x номинальная мощность 1 000 000 кВт, указанная на паспортной табличке, = 8 млрд кВт · ч. Для выработки этой энергии система должна будет сжигать 365 x 24 x 60 минут x 60 секунд x 15 гранул в секунду x 0,9 мощности = 425 миллионов топливных гранул. Если пеллеты стоят по рекомендованной цене 50 центов за штуку, это будет более 200 миллионов долларов в год на топливо для завода. Средняя ставка на оптовую электроэнергию в США по состоянию на 2015 год составляет около 5 центов за кВтч [58].таким образом, эта мощность имеет коммерческую стоимость около 212 миллионов долларов, что позволяет предположить, что LIFE.2 в среднем едва покрывает собственные расходы на топливо. [d]

Капитальные затраты на завод оцениваются в 6,4 миллиарда долларов, поэтому финансирование завода в течение 20-летнего периода добавляет еще 5 миллиардов долларов при условии необеспеченной ставки в 6,5%. Если рассматривать только капитальные затраты и топливо, общая стоимость завода составляет 6,4 + 5 + 4 = 15,4 миллиарда долларов. Разделение общей стоимости на энергию, произведенную за тот же период, дает приблизительную оценку стоимости электроэнергии за 20-летний срок эксплуатации: 15,4 миллиарда долларов / 160 миллиардов кВтч = 9,6 цента / кВтч. При эксплуатации в течение 40 лет стоимость электроэнергии составит 4,8 цента / кВтч. LLNL рассчитала LCOE LIFE.2 на уровне 9,1 цента, используя методологию дисконтированных денежных потоков, описанную в отчете MIT за 2009 год «Будущее ядерной энергии». [51] [60] При любом значении LIFE.2 не сможет конкурировать с современнымивозобновляемые источники энергии , которые значительно ниже 5 центов / кВтч по состоянию на 2018 год . [61]

LLNL прогнозировала, что дальнейшее развитие после широкого коммерческого внедрения может привести к дальнейшим усовершенствованиям технологий и снижению затрат, и предложила проект LIFE.3 с капитальными затратами около 6,3 миллиарда долларов и паспортной мощностью 1,6 ГВт по цене 4,2 доллара за ватт за ватт . Это приводит к проектируемой LCOE 5,5 центов / кВтч, [51] , который является конкурентоспособным по сравнению с морской ветроэнергетики По состоянию на 2018 год , [62] , но вряд ли будет так в 2040 году , когда жизни3 конструкций начнется строительство. [e] Установки LIFE будут оптовыми продавцами, конкурируя с базовой скоростью около 5,3 цента / кВтч по состоянию на 2015 год . [58]

Секция паровой турбины электростанции, машинный зал , обычно стоит около 1 доллара за Вт, а электрооборудование для подачи этой энергии в сеть стоит еще около 1 доллара за Вт. [64] Для достижения прогнозируемых общих капитальных затрат, указанных в документах LIFE, это означает, что весь ядерный остров должен стоить около 4 долларов США / Вт для LIFE.2 и чуть более 2 долларов / Вт для LIFE.3. Современные атомные электростанции, в которых используется многолетний коммерческий опыт и непрерывные проектные работы, стоят чуть менее 8 долларов за Вт, причем примерно половина этой стоимости приходится на ядерный остров. По оценкам LLNL, LIFE.3 должен быть построен в 2040 году примерно за половину стоимости сегодняшней станции ядерного деления. [65]

Конец ЖИЗНИ [ править ]

Строительство НИФ было завершено в 2009 году, и в лаборатории начался длительный период калибровки и настройки, чтобы вывести лазер на полную мощность. В 2012 году установка вышла на проектную мощность 1,8 МДж УФ-излучения. [66] В этот период NIF начал реализацию поэтапной программы, известной как Национальная кампания по возгоранию, с целью достичь возгорания к 30 сентября 2012 года. не удалось, поскольку возникли неожиданные проблемы с производительностью, которые не были предсказаны при моделировании. К концу 2012 года система производила лучшие тематические снимки , которые до сих пор были 1 / 10 давлений , необходимых для возгорания. [67]

В последующих годах, НИФ запустить небольшое количество экспериментов с явной целью улучшения этого числа, но по состоянию на 2015 лучший результат все равно 1 / 3 от требуемых плотностей, а также метод , используемый для достижения этих чисел могут не подходят для закрытия этого промежутка и достижения зажигания. Ожидается, что потребуется еще несколько лет дополнительных работ, прежде чем произойдет возгорание, если это вообще возможно. [68] В ходе обзора прогресса после окончания Кампании наблюдательный совет Национальной академии наук заявил, что «подходящее время для создания национальной, скоординированной, широкомасштабной программы инерционной термоядерной энергии в Министерстве энергетики - это когда будет достигнуто воспламенение. . " [69]Они отметили, что «комиссия считает, что зажигание с использованием непрямого лазерного привода маловероятно в ближайшие несколько лет». [70]

Проект LIFE был тихо отменен в начале 2013 года. [71] Исполняющий обязанности директора LLNL Брет Кнапп прокомментировал проблему, заявив, что «наши усилия по синтезу инерционного удержания сосредоточены на понимании воспламенения на NIF, а не на концепции LIFE. достигнут прогресс в воспламенении, мы направим наши усилия на решение остающихся фундаментальных научных проблем, направленных на достижение воспламенения с помощью термоядерного синтеза ". [1]

Заметки [ править ]

  1. ^ Или, что более типично, когда продукты предыдущих событий деления «отравляют» продолжающуюся реакцию, улавливая нейтроны. [24]
  2. ^ В других документах обозначается как LIFE.1. [48]
  3. ^ RAFMS означает ферритную / мартенситную сталь с пониженной активацией.
  4. ^ Оптовые цены упали с 2015 года, по состоянию на 2018 годсредняя стоимость приближается к 3 центам / кВтч, что означает, что LIFE.2 потеряет деньги даже при самых дешевых возможных целевых ценах. [59]
  5. ^ LCoE ветряных турбин снизилась (улучшилась) на 58% в период с 2009 по 2014 год, до чуть более 5,5 центов / кВтч. [63]

Ссылки [ править ]

Цитаты [ править ]

  1. ^ a b Крамер, Дэвид (апрель 2014 г.). «Ливермор кончает жизнь». Физика сегодня . 67 (4): 26–27. Bibcode : 2014PhT .... 67R..26K . DOI : 10.1063 / PT.3.2344 .
  2. ^ Nuckolls 1998 , стр. 1-2.
  3. ^ Nuckolls, Джон; Вуд, Лоуэлл; Тиссен, Альберт; Циммерман, Джордж (1972). «Лазерное сжатие вещества до сверхвысокой плотности: термоядерные (CTR) приложения». Природа . 239 (5368): 139–142. Bibcode : 1972Natur.239..139N . DOI : 10.1038 / 239139a0 . S2CID 45684425 . 
  4. ^ «Как работает NIF» . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса .
  5. ↑ Петерсон, Пер Ф. (23 сентября 1998 г.). «Инерционная термоядерная энергия: Учебное пособие по технологии и экономике» . Архивировано из оригинала на 2008-12-21 . Проверено 8 октября 2013 .
  6. Перейти ↑ Bethe 1979 , p. 45.
  7. ^ Feresin Эмилиано (30 апреля 2010). «Термоядерный реактор призван составить конкуренцию ИТЭР» . Природа . DOI : 10.1038 / news.2010.214 .
  8. ^ Nuckolls 1998 , стр. 4.
  9. ^ Nuckolls 1998 , рисунок 4.
  10. Перейти ↑ Zimmerman, G (6 октября 1977 г.). Код LASNEX для термоядерного синтеза с инерционным удержанием (Технический отчет). Ливерморская лаборатория Лоуренса.
  11. ^ Lindl 1993 , рисунок 5.
  12. ^ Lindl 1993 , рисунок 8.
  13. ↑ Паркер, Энн (сентябрь 2002 г.). "Enpowering Light: исторические достижения в области лазерных исследований" . Обзор науки и технологий .
  14. ^ SOLASE-H, Исследование гибридного лазерного синтеза (PDF) (Технический отчет). Институт технологии термоядерного синтеза Висконсинского университета. Май 1979 г.
  15. ^ Мойр, Ральф (1992). "Проект термоядерной электростанции с инерционным удержанием HYLIFE-II" (PDF) . Ускорители частиц : 467–480.
  16. ^ ЖИЗНЬ .
  17. ^ а б Бете 1979 , стр. 44.
  18. ^ Крамер, Кевин Дж .; Латковски, Джеффри Ф .; Abbott, Ryan P .; Бойд, Джон К .; Пауэрс, Джеффри Дж .; Сейфрид, Джеффри Э. (2009). "Перенос нейтронов и ядерный анализ выгорания для лазерного двигателя термоядерного синтеза и деления энергии с инерционным ограничением (LIFE)" (PDF) . Наука и технология термоядерного синтеза . 56 (2): 625–631. DOI : 10.13182 / FST18-8132 . ISSN 1536-1055 . S2CID 101009479 .   
  19. ^ Моисей, Эдвард I .; Диас де ла Рубиа, Томас; Шторм, Эрик; Латковски, Джеффри Ф .; Фермер, Джозеф С .; Abbott, Ryan P .; Крамер, Кевин Дж .; Peterson, Per F .; Шоу, Генри Ф. (2009). «Устойчивый ядерный топливный цикл на основе энергии лазерного инерционного термоядерного синтеза» (PDF) . Наука и технология термоядерного синтеза . 56 (2): 547–565. DOI : 10.13182 / FST09-34 . ISSN 1536-1055 . S2CID 19428343 .   
  20. ^ Крамер, Кевин Джеймс (2010). Лазерная инерционная энергия на основе термоядерного синтеза: аспекты нейтронного проектирования гибридной ядерно-энергетической системы термоядерного синтеза (PDF) . Кандидат наук. Диссертация (Отчет).
  21. ^ Крамер, Кевин Дж .; Фратони, Массимилиано; Латковски, Джеффри Ф .; Abbott, Ryan P .; Анклам, Томас М .; Беккет, Элизабет М .; Байрамян, Энди Дж .; ДеМут, Джеймс А .; Дери, Роберт Дж. (2011). «Варианты покрытия термоядерного синтеза для двигателя LIFE» (PDF) . Наука и технология термоядерного синтеза . 60 (1): 72–77. DOI : 10.13182 / FST10-295 . ISSN 1536-1055 . S2CID 55581271 .   
  22. ^ Бреннен 2005 , стр. 16.
  23. ^ Бреннен 2005 , стр. 19.
  24. ^ "Отравление продуктами деления" (PDF) , Ядерная теория, курс 227 , июль 1979 г.
  25. ^ Принципы термоядерной энергии . Союзные издатели. 2002. с. 257.
  26. ^ Морроу, Д. (ноябрь 2011 г.). Тритий (PDF) (Технический отчет). ДЖЕЙСОН Панель.
  27. Перейти ↑ Bethe 1979 , p. 46.
  28. ^ Тенни, Ф .; и другие. (Ноябрь 1978 г.). Системное исследование термоядерных реакторов деления на токамаках (PDF) (Технический отчет). Принстонская лаборатория физики плазмы. С. 336–337.
  29. Перейти ↑ Dunne 2010 , p. 2.
  30. ^ Ревкин, Эндрю (18 октября 2012). «Есть ли место при ограниченном бюджете на исследования для вечного обещания синтеза?» . Нью-Йорк Таймс . Дата обращения 1 мая 2017 .
  31. ^ Блум, Эверетт (1998). «Проблема разработки конструкционных материалов для термоядерных энергетических систем» (PDF) . Журнал ядерных материалов . 258–263: 7–17. Bibcode : 1998JNuM..258 .... 7B . DOI : 10.1016 / s0022-3115 (98) 00352-3 .
  32. ^ a b «Почему ЖИЗНЬ: Преимущества ЖИЗНЕННОГО подхода» . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса. Архивировано из оригинала 6 мая 2016 года.
  33. ^ a b «Как работает NIF» . Национальный центр зажигания и фотонная наука .
  34. ^ «Описаны планы по увеличению скорострельности NIF» . Информационный бюллетень Photons & Fusion . Март 2014 г.
  35. ^ Nuckolls 1998 , стр. 5.
  36. ^ Мойер, Майкл (март 2010). «Ложный рассвет Фьюжн». Scientific American . п. 57.
  37. ^ а б Кортленд 2013 .
  38. Перейти ↑ Sutton 2011 .
  39. ^ a b c d Меркурий .
  40. ^ а б в г Эбберс 2009 .
  41. ^ Лазер .
  42. ^ а б в Байрамян 2012 .
  43. ^ Экономический .
  44. ^ "Что такое ЖИЗНЬ?" . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса. Архивировано из оригинала на 2015-04-04.
  45. Перейти ↑ Dunne 2010 , p. 8.
  46. ↑ Моисей 2009 , рисунок 1.
  47. ^ а б Мейер, WR; Данн, AM; Kramer, KJ; Reyes, S .; Анклам, TM (2014). «Аспекты технологии термоядерного синтеза энергии инерционного термоядерного синтеза (ЖИЗНЬ)». Fusion Engineering and Design . Материалы 11-го Международного симпозиума по термоядерной ядерной технологии-11 (ISFNT-11) Барселона, Испания, 15–20 сентября 2013 г. 89 (9–10): 2489–2492. DOI : 10.1016 / j.fusengdes.2013.12.021 .
  48. Перейти ↑ NSF 2013 , p. 58.
  49. Перейти ↑ Dunne 2010 , p. 3.
  50. ^ a b c Данн 2010 , стр. 5.
  51. ^ а б в г Анклам 2010 , стр. 5.
  52. Перейти ↑ Dunne 2010 , p. 4.
  53. ^ Latkowski, Джефри Ф. (2011-07-01). «Конструкция камеры для лазерного инерционного термоядерного двигателя (LIFE)» . Наука и технология термоядерного синтеза . 60 (1): 54–60. DOI : 10.13182 / fst10-318 . S2CID 55069880 . 
  54. ^ Reyes, S .; Анклам, Т .; Babineau, D .; Becnel, J .; Davis, R .; Dunne, M .; Farmer, J .; Цветы, Д .; Крамер, К. (2013). «LIFE Tritium Processing: устойчивое решение для закрытия термоядерного топливного цикла» (PDF) . Наука и технология термоядерного синтеза . 64 (2): 187–193. DOI : 10.13182 / FST12-529 . ISSN 1536-1055 . S2CID 121195479 .   
  55. ^ "LIFE Design: Fusion System" . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса. Архивировано из оригинального 22 мая 2016 года.
  56. Перейти ↑ Dunne 2010 , p. 6.
  57. ^ "Простой расчет приведенной стоимости энергии" . NREL .
  58. ^ a b «Данные оптового рынка электроэнергии и природного газа» . Управление энергетической информации . 19 марта 2015.
  59. ^ «Ежемесячное обновление электроэнергии» . EIA . Ноябрь 2018.
  60. ^ Будущее ядерной энергетики . Массачусетский Институт Технологий. 2003. ISBN 978-0-615-12420-9. OCLC  803925974 .
  61. ^ Анализ приведенных затрат энергии Лазарда - Версия 12.0 (PDF) (Технический отчет). Лазард. Октябрь 2018.
  62. ^ Лазар 2014 , стр. 2.
  63. ^ Лазар 2014 , стр. 9.
  64. ^ The World Nuclear Supply Chain: Outlook 2035 (PDF) (Технический отчет). Всемирная ядерная ассоциация. 2016. с. 36.
  65. ^ Лазар 2014 , стр. 13.
  66. ^ Crandall 2012 , стр. 1.
  67. ^ Crandall 2012 , стр. 3.
  68. ^ Crandall 2012 , стр. 2.
  69. Перейти ↑ NSF 2013 , p. 168.
  70. Перейти ↑ NSF 2013 , p. 212.
  71. ^ Levedahl Кирк (июнь 2013). «Завершение национальной кампании по возгоранию и путь к воспламенению» (PDF) . Ежеквартальное управление запасами : 4–5. Архивировано из оригинального (PDF) 6 января 2017 года.

Библиография [ править ]

  • Анклам, Т .; Саймон, AJ; Пауэрс, С .; Мейер, WR (2 декабря 2010 г.). «ЖИЗНЬ: аргументы в пользу ранней коммерциализации термоядерной энергии» (PDF) . Материалы девятнадцатого тематического совещания по технологии термоядерной энергии . Архивировано из оригинального (PDF) 4 сентября 2015 года . Проверено 2 апреля 2015 года .
  • Байрамян, Энди (12 сентября 2012 г.). «Прогресс в создании компактного лазерного драйвера для энергии инерционного термоядерного синтеза» (PDF) . Цех твердотельных лазеров с диодной накачкой высокого класса энергии .
  • Бете, Ганс (май 1979 г.). "Гибрид Fusion" (PDF) . Физика сегодня . 32 (5): 44–51. Bibcode : 1979PhT .... 32e..44B . DOI : 10.1063 / 1.2995553 .
  • Бреннен, Кристофер (2005). Введение в атомную энергетику (PDF) . Издательство Данкат.[ постоянная мертвая ссылка ]
  • Крэндалл, Дэвид (27 декабря 2012 г.). Заключительный обзор Национальной кампании по возгоранию (PDF) (Технический отчет). Министерство энергетики.
  • Кортленд, Рэйчел (27 марта 2013 г.). «Самая яркая надежда Laser Fusion» . IEEE Spectrum .
  • Данн, Майк (9 ноября 2010 г.). «Своевременная доставка энергии лазерного инерционного термоядерного синтеза» (PDF) . 19-е тематическое совещание ANS по технологии термоядерной энергии .
  • Эбберс, Крис; Кэрд, Джон; Моисей, Эдвард (1 марта 2009 г.). «Ртутный лазер движется к практическому лазерному синтезу» . Laser Focus World .
  • Линдл, Джон (декабрь 1993 г.). «Лекция, посвященная медали Эдварда Теллера: эволюция к непрямому приводу и два десятилетия прогресса на пути к воспламенению и ожогу МКФ» (PDF) . 11-й международный семинар по лазерному взаимодействию и родственным плазменным явлениям .
  • Моисей, Эдвард (август 2009 г.). «Устойчивый ядерный топливный цикл на основе энергии лазерного инерционного термоядерного синтеза» (PDF) . Восемнадцатое тематическое совещание по технологии термоядерной энергии . С. 547–565.
  • Наколлс, Джон (12 июня 1998 г.). Первые шаги к инерционной термоядерной энергии (IFE) (Технический отчет). Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса.
  • Саттон, Дон (28 ноября 2011 г.). «Термоядерная энергетическая установка уже на чертеже на 2030 год» . Канадский бизнес .
  • Оценка перспектив инерционной термоядерной энергии . Национальная академия прессы. Июль 2013 г. ISBN. 978-0-309-27224-7.
  • «ЖИЗНЬ» . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса. Архивировано с оригинала на 20 мая 2012 года.
  • «ЖИЗНЬ Дизайн: Лазерная система» . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса. Архивировано из оригинального 24 июля 2012 года .
  • «Дизайн ЖИЗНИ: экономические выгоды» . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса. Архивировано из оригинального 24 июля 2012 года .
  • «Ртуть: твердотельный лазер с диодной накачкой» . Национальный центр зажигания и фотонная наука .
  • Расчет приведенных затрат энергии Лазарда - Версия 8.0 (PDF) . Лазард (Технический отчет). Сентябрь 2014 г.

Внешние ссылки [ править ]

  • СМИ, связанные с лазерной инерционной термоядерной энергией на Викискладе?
  • Хеллер, Арни (июль – август 2011 г.). «Зажигая наше энергетическое будущее» . Обзор науки и технологий . Проверено 1 мая 2017 .
  • Хеллер, Арни (апрель – май 2009 г.). «Безопасная и устойчивая энергия с ЖИЗНЬЮ» . Обзор науки и технологий . Проверено 1 мая 2017 .