Термоядерный синтез с магнитным удержанием

Горячая плазма, удерживаемая магнитным полем в токамаке

Термоядерный синтез с магнитным удержанием - это подход к генерированию энергии термоядерного синтеза, который использует магнитные поля для удержания термоядерного топлива в форме плазмы . Магнитное удержание - одна из двух основных областей исследования термоядерной энергии , наряду с термоядерным синтезом с инерционным удержанием . Магнитный подход появился в 1940-х годах и поглотил большую часть последующих разработок.

Реакции синтеза объединяют легкие атомные ядра, такие как водород, с образованием более тяжелых, таких как гелий , с производством энергии. Чтобы преодолеть электростатическое отталкивание между ядрами, они должны иметь температуру в десятки миллионов градусов, создавая плазму . Кроме того, плазма должна удерживаться с достаточной плотностью в течение достаточного времени, как указано в критерии Лоусона (тройное произведение).

Термоядерный синтез с магнитным удержанием пытается использовать электрическую проводимость плазмы, чтобы удерживать ее за счет взаимодействия с магнитными полями. Магнитное давление компенсирует давление плазмы. Разработка подходящего расположения полей, содержащих топливо без чрезмерной турбулентности или утечки, является основной задачей этой технологии.

История [ править ]

Развитие магнитной термоядерной энергии (MFE) проходило в трех различных фазах. В 1950-х годах считалось, что MFE будет относительно легко достичь, и началась гонка за создание подходящей машины. К концу 1950-х годов стало ясно, что турбулентность и нестабильность плазмы являются проблематичными, а в 1960-е годы, в «депрессивном» состоянии, усилия обратились к лучшему пониманию физики плазмы.

В 1968 году советская группа изобрела устройство магнитного удержания токамака , которое продемонстрировало эффективность в десять раз лучше, чем альтернативы, и стало предпочтительным подходом.

Строительство термоядерной электростанции мощностью 500 МВт с использованием этой конструкции, ИТЭР , началось во Франции в 2007 году. Согласно последнему графику, она должна начать работу в 2025 году.

Плазма [ править ]

Когда топливо впрыскивается в термоядерный реактор, могут возникать мощные «волны-убийцы», которые могут вывести его из замкнутого пространства. Эти волны могут снизить эффективность или даже остановить реакцию синтеза. Математические модели могут определять вероятность возникновения волны-убийцы и могут использоваться для вычисления точного угла встречной волны, чтобы ее погасить. ^[1]

Магнитные острова - это аномалии, при которых силовые линии магнитного поля отделяются от остальной части поля и образуют трубку, позволяющую улетучиваться топливу. Наличие крупных магнитных островов нарушает термоядерный синтез. Введение замороженных гранул дейтерия в топливную смесь может вызвать турбулентность, достаточную для разрушения островков. ^[1]

Типы [ править ]

Магнитные зеркала [ править ]

Основным направлением исследований в первые годы исследований термоядерной энергии было магнитное зеркало . Большинство ранних зеркальных устройств пытались удерживать плазму вблизи фокуса неплоского магнитного поля, создаваемого в соленоиде, с усилением поля на обоих концах трубки. Чтобы выйти из области удержания, ядра должны были войти в небольшую кольцевую область около каждого магнита. Было известно, что ядра вырвутся через эту область, но, постоянно добавляя и нагревая топливо, считалось, что это можно преодолеть.

В 1954 году Эдвард Теллер выступил с докладом, в котором изложил теоретическую проблему, предполагающую, что плазма также быстро улетит вбок через удерживающие поля. Это могло бы произойти в любой машине с выпуклыми магнитными полями, которые существовали в центре области зеркала. На существующих машинах были другие проблемы, и было не очевидно, происходит ли это. В 1961 году советская группа убедительно продемонстрировала, что эта нестабильность флейты действительно имеет место, и когда американская группа заявила, что не видит этой проблемы, Советы изучили свой эксперимент и отметили, что это произошло из-за простой ошибки в приборном оборудовании.

Советская команда также представила потенциальное решение в виде «батончиков Иоффе». Они изгибали плазму в новую форму, которая была вогнутой во всех точках, избегая проблемы, на которую указал Теллер. Это продемонстрировало явное улучшение условий содержания. Затем британская команда представила более простую конструкцию этих магнитов, которую они назвали «теннисным мячом», который в США был принят как «бейсбол». Были протестированы несколько машин бейсбольной серии, которые показали значительно улучшенные характеристики. Однако теоретические расчеты показали, что максимальное количество энергии, которое они могут произвести, будет примерно таким же, как энергия, необходимая для работы магнитов. Как машина, производящая энергию, зеркало оказалось тупиком.

В 1970-х годах было разработано решение. Поместив бейсбольную катушку на обоих концах большого соленоида, вся сборка могла удерживать гораздо больший объем плазмы и, таким образом, производить больше энергии. В планах было построить большое устройство этой конструкции «тандемного зеркала», которое стало испытательной лабораторией Mirror Fusion Test Facility (MFTF). Никогда раньше не пробовал использовать эту схему, поэтому для ее проверки была построена машина меньшего размера, Tandem Mirror Experiment (TMX). TMX продемонстрировал новую серию проблем, которые предполагали, что MFTF не достигнет своих целей производительности, и во время строительства MFTF был изменен на MFTF-B. Однако из-за урезания бюджета через день после завершения строительства MFTF было законсервировано. С тех пор зеркала мало развивались.

Тороидальные машины [ править ]

Z-pinch [ править ]

Первая реальная попытка создать управляемый термоядерный реактор использовала пинч-эффект в тороидальном контейнере. Контейнер был обернут большим трансформатором, чтобы навести ток в плазме внутри. Этот ток создает магнитное поле, которое сжимает плазму в тонкое кольцо, тем самым «сжимая» ее. Комбинация джоулева нагрева током и адиабатического нагрева при его сжатии поднимает температуру плазмы до требуемого диапазона в десятки миллионов градусов Кельвина.

Первые машины были построены в Великобритании в 1948 году, а затем последовала серия все более крупных и мощных машин в Великобритании и США. Все первые машины оказались подвержены сильной нестабильности в плазме. Среди них следует отметить нестабильность изгиба , из-за которой защемленное кольцо металось и ударялось о стенки контейнера задолго до того, как оно достигло необходимой температуры. Однако концепция была настолько проста, что на решение этих проблем были затрачены титанические усилия.

Это привело к концепции «стабилизированного пинча», в которой добавлялись внешние магниты, чтобы «дать плазме основу» во время ее сжатия. Самой большой такой машиной был реактор ZETA в Великобритании , построенный в 1957 году, который, по-видимому, успешно производил термоядерный синтез. Всего через несколько месяцев после его публичного объявления в январе 1958 года эти утверждения пришлось опровергнуть, когда было обнаружено, что наблюдаемые нейтроны были созданы новыми нестабильностями в плазменной массе. Дальнейшие исследования показали, что любая такая конструкция будет связана с аналогичными проблемами, и исследования с использованием подхода z-пинча в основном закончились.

Стеллараторы [ править ]

Первой попыткой создания системы магнитного удержания был стелларатор , представленный Лайманом Спитцером в 1951 году. По сути, стелларатор состоит из тора, который был разрезан пополам, а затем соединен обратно вместе прямыми «пересеченными» секциями, чтобы сформировать восьмерку. . Это имеет эффект распространения ядер изнутри наружу, когда оно вращается вокруг устройства, тем самым нейтрализуя дрейф поперек оси, по крайней мере, если ядра вращаются достаточно быстро.

Вскоре после создания первых машин в форме восьмерки было замечено, что тот же эффект может быть достигнут в полностью круговой конструкции, добавив второй набор спирально-намотанных магнитов с каждой стороны. Такое расположение генерировало поле, которое распространялось только частично в плазму, что, как оказалось, имело значительное преимущество, заключающееся в добавлении «сдвига», подавляющего турбулентность в плазме. Однако, когда на этой модели были построены более крупные устройства, было замечено, что плазма покидала систему намного быстрее, чем ожидалось, гораздо быстрее, чем ее можно было заменить.

К середине 1960-х годов казалось, что стеллараторный подход зашел в тупик. Помимо проблем с потерей топлива, было также подсчитано, что силовая установка на основе этой системы будет огромной, большей частью в тысячу футов в длину. Когда токамак был представлен в 1968 году, интерес к стеллараторам исчез, и последняя разработка Принстонского университета , Модель C, была преобразована в симметричный токамак .

Интерес к стеллараторам возобновился с начала нового тысячелетия, поскольку они избегают нескольких проблем, впоследствии обнаруженных в токамаках. Были построены более новые модели, но они примерно на два поколения отстают от последних разработок токамаков.

Токамаки [ править ]

В конце 1950-х советские исследователи заметили, что нестабильность излома будет сильно подавлена, если изгибы на траектории будут достаточно сильными, чтобы частица перемещалась по окружности внутри камеры быстрее, чем по длине камеры. Для этого потребуется уменьшить ток пинча и сделать внешние стабилизирующие магниты намного сильнее.

В 1968 году российские исследования тороидального токамака были впервые представлены публике, и их результаты намного превзошли существующие усилия по любой конкурирующей конструкции, магнитной или нет. С тех пор большая часть усилий по магнитному удержанию была основана на принципе токамака. В токамаке ток периодически пропускается через саму плазму, создавая поле «вокруг» тора, которое в сочетании с тороидальным полем создает поле обмотки, в некотором роде подобное тому, что есть в современном стеллараторе, по крайней мере, в том, что ядра движутся из от внутренней части к внешней стороне устройства, когда они обтекают его.

В 1991 году START был построен в Калхэме , Великобритания , как первый специально построенный сферический токамак . По сути, это был сферомак со вставленным центральным стержнем. СТАРТ показал впечатляющие результаты: значения β составляли примерно 40% - в три раза больше, чем у стандартных токамаков того времени. Концепция была расширена до более высоких плазменных токов и больших размеров с помощью экспериментов NSTX (США), MAST (Великобритания) и Globus-M.(Россия) в настоящее время работает. Сферические токамаки обладают улучшенными свойствами стабильности по сравнению с обычными токамаками, и поэтому эта область привлекает значительное экспериментальное внимание. Однако сферические токамаки до настоящего времени находились в низком тороидальном поле и, как таковые, непрактичны для устройств на термоядерных нейтронах.

Компактные тороиды [ править ]

Компактные тороиды, например сферомак и конфигурация с обратным полем , пытаются объединить хорошее ограничение конфигураций замкнутых магнитных поверхностей с простотой машин без центрального сердечника. Ранним экспериментом этого типа ^{[ сомнительно - обсудить ]} в 1970-х годах был Trisops . (Трисопс выстрелил двумя тета-пинч-кольцами навстречу друг другу.)

Другое [ править ]

Еще несколько новых конфигураций, создаваемых в тороидальных машинах, - это пинч с обращенным полем и эксперимент с левитирующим диполем .

ВМС США также заявили о «плазменном термоядерном синтезаторе», способном обеспечивать уровни мощности TW в патентной заявке США 2018 года:

«Особенностью настоящего изобретения является создание устройства термоядерного синтеза со сжатием плазмы, которое может производить мощность в диапазоне от гигаватт до тераватт (и выше) с входной мощностью в диапазоне от киловатт до мегаватт». ^[2]

Магнитная термоядерная энергия [ править ]

Все эти устройства столкнулись со значительными проблемами при увеличении масштаба и приближении к критерию Лоусона . Один исследователь простыми словами описал проблему магнитного удержания, сравнив ее со сжатием воздушного шара - воздух всегда будет пытаться «выскочить» где-то еще. Было доказано, что турбулентность в плазме является серьезной проблемой, заставляя плазму выходить из области удержания и потенциально касаться стенок контейнера. Если это происходит, в процессе, известном как « распыление », частицы большой массы из контейнера (часто стали и других металлов) смешиваются с термоядерным топливом, понижая его температуру.

В 1997 году ученые на объектах Joint European Torus (JET) в Великобритании произвели 16 мегаватт термоядерной энергии. Ученые теперь могут контролировать турбулентность плазмы и вытекающую из нее утечку энергии, которая долгое время считалась неизбежной и неразрешимой особенностью плазмы. Увеличивается оптимизм в отношении того, что давление плазмы, выше которого плазма разбирается, теперь можно сделать достаточно большим, чтобы поддерживать скорость реакции термоядерного синтеза, приемлемую для электростанции. ^[3] Электромагнитные волны могут вводиться и управляться, чтобы управлять путями частиц плазмы, а затем производить большие электрические токи, необходимые для создания магнитных полей, удерживающих плазму. ^{[ необходима цитата ]}Эти и другие возможности управления появились благодаря достижениям в фундаментальном понимании науки о плазме в таких областях, как турбулентность плазмы, макроскопическая стабильность плазмы и распространение плазменных волн. Большая часть этого прогресса была достигнута с особым упором на токамак .

См. Также [ править ]

• Газовый тор
• Намагниченный лайнер инерционный сплав
• Список статей по плазме (физике)

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Веб-сайт EFDA-JET
  • Галерея изображений JET ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
• Калемский центр термоядерной энергии, CCFE
• Информация МАГАТЭ о JET
• Физика магнитно-удерживаемой плазмы
• General Atomics
• Fusion Wiki (специальная информация)