?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

Как известно, термоядерная реакция будет идти в дейтерий-тритиевой смеси даже при комнатной температуре, только слишком медленно, что бы это было поводом для интереса. Для достижения промышленного энерговыделения (1-10 мегаватт на метр кубический) нужно создать условия для удержания плазмы с температурой 100-200 млн градусов и плотностью 1...2*10^20 частиц на кубометр. Примерно при таких параметрах система начинает самобалансироваться (в токамаках) - энерговыделение сравнивается с утечками и затратами на подогрев новых порций топлива.  Эти цифры являются зоной интереса всех разработчиков термоядерных реакторов, а их достижение - задачей уже многодесятилетней разработки концепции управляемого термоядерного синтеза (УТС).


Открытая ловушка ГДЛ - одна из многочисленных концепций термоядерного реактора. Она тоже имеет интересное пересечение с сегодняшним рассказом. Источник.

Как я писал в ликбезе по физике токамаков, основная проблема такой плазмы - утечка тепла из нее. Решить эту проблему пытаются двумя путями - созданием магнитных ловушек большого объема (главным из которых является ИТЭР), в котором внешний и внутренний нагрев сравняются с охлаждением и в импульсных установках, где сжатая до термоядерных параметров плазма до остывания успевает заметно прореагировать, выделив значительное количество термоядерной энергии. Однако для такого режима плазму надо нагреть еще больше, и сжать еще сильнее (хоть и кратковременно), чем в магнитных ловушках постоянного действия. Однако на этом пути прогресс еще более печален чем с токамаками по причине принципиальной неустойчивости плазмы, которая при сжатии “выскальзывает” из сжимающего поля, и рассеивается, теряя температуру и плотность.


Например одним из самых продвинутых вариантов импульсного УТС является MagLIF.

В попытках идти по этому пути исследователи в 70х годах обратили внимание на плазменные вихри, называемые FRC (field reversed configuration, конфигурация с обращенным полем), похожие по структуре на кольца табачного дыма.


Плазменный вихрь FRC с вмороженным магнитным полоидальным полем (синий), перемещающийся вдоль внешнего поля (зеленое).

Они оказались устойчивыми и долгоиграющими образованиями. Ими легко управлять - ускорять, сжимать, сливать и разделять. Более того, они обладали крайне важным преимуществом - давлением собственного вмороженного магнитного поля было близко к давлению плазмы, т.о. конструкция хорошо подходила для легкого достижения высоких параметров температуры и давления. Сейчас, наряду с простейшим самосжимающимся плазменным образованием z-pinch’ем они частые гости в идеях импульсных термоядерных реакторах.. Там, где любые другие плазменные образования либо разрушались неустойчивостями, либо просто рассеивались в пространстве в процессе сжатия, FRC обещали ощутимые преимущества.



FRC можно встретить во многих реакторах. Например в Plasma Liner Experement от Los Alamos National Laboratory.

В 1997 году в США была предложена концепция Colliding Beam Fusion Reactor (CBFR), импульсной схемы, где два разогнанных плазменных вихря FRC-типа сталкивались и сжимались в центре машины импульсным магнитным полем, образуя плазму достаточной плотности и температуры для зажигания термоядерной реакции. При этом использование FRC гарантировало, что эта плазма проживет в условиях горения термоядерной реакции достаточно, что бы выделенной энергии слияния хватило на рентабельную работу электростанции, включая затраты на работу самого CBFR. Конечно, если концепция и расчеты авторов были полностью верны.


Так в 90х рисовали  100 мегаваттный генератор на базе двух 50-мегаваттных импульсных реакторов CBFR.


Принцип работы CBFR: на первой стадии формируются 2 FRC которые ускоряются к центру и сжимаются увеличивающимся магнитным полем. Слияние в центре установки дает необходимую плотность и температуру для зажигания термоядерной реакции.

На базе этого концепта сразу появилось несколько стартапов, развивающих идею CBFR. Более успешными в плане сбора денег оказались Helion Energy и Tri Aplha Energy. Первые пытаются сделать реактор на базе D + He3 реакции, декларируя получение на своем прототипе температуры в 5 кЭв, поля в 100 Т и времени жизни в 1 мс. Неизвестна плотность их плазмы, но если предположить частые для таких эксперементов 10^20 частиц на кубометр, то это в 100 раз хуже breakeven (энерговыхода, равного затратам на нагрев и сжатие) для D+T реакции, и примерно в 50000 раз хуже, чем нужно для рабочего реактора. Причем продемонстрированная установка заставляет сомневаться в заявляемых цифрах.


Лабораторная установка Helion.

Однако их конкуренты Tri Alpha (основанные разработчиками концепции CBFR Norman Rostoker и Hendrik Monkhorst) имеют как большие амбиции - использовать самую сложную для термоядерной энергетики реакцию p + B так и больший реактор для воплощения этих идей и 150 человек коллектива.



В комнате управления прототипом реактора Tri Alpha.

Преимущество выбранной реакции - отсутствие нейтронов, которые активируют реактор и превращают его в ядерный объект, и неограниченные запасы исходников (в отличии от лития для D+T реакции или фактически отсутствующего на земле гелия-3 для He3+D). Минусом же являются гораздо более (в 60 раз) жесткие условия горения в плазме, и большие проблемы с паразитной гамма-радиацией.


Концептуально TAE использует тот же реактор что и Helion, только в 10 раз больше.



Современное состояние установки. Видны импульсные инжекторы нейтральных частиц (серые бочки вокруг реактора).

Калифорнийцы Tri Alpha подняли уже более 100 млн долларов инвестиций (в т.ч. и от Роснано(!), поэтому одним из членов совета директоров компании является А. Чубайс, а компания размещает заказы на оборудование в России), что позволило им использовать гораздо больший, чем лабораторный масштаб. 23 метровый прототип реактора “С2” чем-то похож на отрытые ловушки ИЯФ - труба, обмотанная набором соленойдов на краях которой генерируется в FRC плазмойды и ускоряясь до 250 км/с сталкиваются в центре.


Внутри центральной камеры С2.

В целом это довольно продвинутая установка, использующая титановые геттеры для получения сверхвысокого вакуума, импульсные мегаваттные инжекторы нейтралов (производства новосибирского ИЯФ), создающие нужные профили ионной плотности в реакторе, квадрупольные импульсные электроды для борьбы с кинетическими нестабильностями, множество приборов для диагностики физики происходящих явлений.



Набор диагностических приборов в установке С2.

Таким образом установка приближается к передовым токамакам конца 70х по уровню сложности и решаемых задач, однако как мы знаем, в частных руках токамаков никогда не было.


Импульсные инжекторы нейтралов крупным планом.

В 2015 году Tri Alpha заявляют о том, что за последние годы им удалось в 10 раз поднять время удержания плазмы (до 5 мс) и теперь они видят четкий путь к установке большого масштаба “С3”, которая будет закончена в 2017 году. В ней планируется достичь уровня, достаточного для breakeven D + T (теоретического, т.к. установка будет работать только на дейтерии, без использования трития) с температурой плазмы в 100 млн градусов (10 кЭв) и временем удержания 1 секунда. На сегодняшний день такой уровень достигнут в двух токамаках - европейском JET  и японском JT-
60U, однако оба этих проекта стоили не менее миллиарда долларов, и создавались совместными усилиями нескольких государств



Токамак JT-60SA во время разборки. Интересно, что серые колоны слева - тоже инжекторы нейтрального луча, как и в С2.


Дальнейшие планы TAE известны не очень хорошо. Компания вообще не любит публичность (у нее даже нет сайта) Как и в случае реакторов на открытых ловушках в будущем планируется извлекать энергию прямым преобразованием - замедлять ионы и электроны и замыкать их на полюсах специального устройства. КПД и особенно цена такого способа многократно выигрывает у традиционных тепловых турбогенераторных преобразователей. Существуют предложения и по использованию подобных машин в качестве реактивных двигателей для космических аппаратов (привет Вивернджет!). Пока можно сказать, что из всех альтернативных концепций эта одна из самых многообещающих, однако существующее сегодня гигантское кладбище многообещающих концепций термоядерных реакторов заставляет относится к этому стартапу с известной долей скепсиса. Что ж, буквально через несколько лет мы либо увидим рождение термоядерной энергетики (напомню еще и про General Fusion), либо очередной бесславный закат очередного многообещающего стартапа.

Comments

( 32 comments — Leave a comment )
(Deleted comment)
tnenergy
Sep. 13th, 2015 08:40 am (UTC)
Чубайс там с несколькими десятками миллионов долларов, так что это тоже плюс для их задач.

Edited at 2015-09-13 08:40 am (UTC)
ardelfi
Sep. 13th, 2015 01:38 am (UTC)
> Как известно, термоядерная реакция будет идти дейтерий-тритиевой смеси даже при комнатной температуре

Но как, сэр? Мюонный катализ от вызванных галактическими лучами каскадов частиц в атмосфере?
djkmomega
Sep. 13th, 2015 03:48 am (UTC)
Она и сейчас идет. Туннельный эффект, сэр.
(no subject) - ardelfi - Sep. 13th, 2015 04:03 am (UTC) - Expand
(no subject) - djkmomega - Sep. 13th, 2015 05:35 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Sep. 13th, 2015 08:12 am (UTC) - Expand
(no subject) - ardelfi - Sep. 13th, 2015 08:18 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Sep. 13th, 2015 08:31 am (UTC) - Expand
(no subject) - ardelfi - Sep. 13th, 2015 08:49 am (UTC) - Expand
(no subject) - the_blasted_one - Sep. 13th, 2015 10:27 am (UTC) - Expand
the_blasted_one
Sep. 13th, 2015 02:06 am (UTC)
Ого, значит вихри все-таки применяют!
Я с тех самых пор, как научился пускать дымные колечки, регулярно думал, а будет ли плазменный вихрь более устойчивым по сравнению с простым тором.

Даже пробовал собрать наколенную установку, где вихревая пушка стреляет не дымом, а огнем, огненное кольцо проходит через импульсную катушку, как в coin crusher, и в момент прохождения пропускается импульс с 3 киловольт и 100 микрофарад, чтобы огненное кольцо стало вторичным витком трансформатора. Снять на скоростную камеру, посмотреть, что получится, и возможно, получить по лбу фаерболлом :-) К сожалению, настроить синхронизацию я тогда был не в состоянии, а теперь подозреваю, что простой огонь даже той индукцией, которая будет в катушке, не пробьется в плазму, и надо добавлять в газ какой-нибудь легко ионизирующийся аэрозоль - хотя бы даже соленую воду из пульверизатора. Конечно, больше, чем на десяток тысяч градусов, как в обычной мощной дуге, я не рассчитываю, но все равно интересно, как дойдут руки, снова возьмусь просто техноискусства ради.

(сам процесс не заснял, потому что прямизны рук тогда не хватило, но сминание фольги магнитным полем, и просто вихрь - один раз удалось)





Edited at 2015-09-13 02:07 am (UTC)
(Deleted comment)
amginskiy
Sep. 13th, 2015 02:40 am (UTC)
Что поставляет ИЯФ СО РАН?
tnenergy
Sep. 13th, 2015 08:15 am (UTC)
Импульсные инжекторы нейтральных атомов. Вот такие: http://www.inp.nsk.su/news/rss/2015_172_2405Ivanov.pdf. Пожалуй вставлю в текст.
(no subject) - amginskiy - Sep. 13th, 2015 06:00 pm (UTC) - Expand
charon
Sep. 13th, 2015 07:03 am (UTC)
> существующее сегодня гигантское кладбище многообещающих концепций термоядерных реакторов

Подкажите, пожалуйста, где можно про это почитать подробнее?
tnenergy
Sep. 13th, 2015 08:38 am (UTC)
Ну, слабым приближением является книга "штурм термоядерной крепости". Просто изучая историю термоядерных установок видны сотни проектов, разной степени проработанности. Основная их часть на этапе еще теоретической проработки умирала, упершись в какие-то проблемы, но часть была закрыта в ходе эксперементов. Например Z-pinch, на которые возлагались большие надежды в 50х, и было построено немало установок так и не пошел. Хотя до сих пор есть довольно много коллективов, которые пытаются что-то на нем сделать (самый известный, который деньги на кикстартере собирал - Focus Fusion). И таких базовых идей, как Z-pinch, наверное, с десяток
,
i_image
Sep. 13th, 2015 03:26 pm (UTC)
Фотографии впечатляют.
clock_source
Sep. 13th, 2015 09:52 pm (UTC)
> в отличии от лития для D+T реакции
нет здесь опечатки?
> Причем продемонстрированных установках заставляет сомневаться в заявляемых цифрах.
здесь точно опечатка.

извините, если что не так.
tnenergy
Sep. 13th, 2015 10:04 pm (UTC)
>нет здесь опечатки?

Нет. Тритий собираются получать через ядерную реакцию с литием.

>здесь точно опечатка.

Поправил.

>извините, если что не так.

Наоборот, спасибо.
simsun
Sep. 14th, 2015 12:38 pm (UTC)


а тут розовенькое - свечение ионизированного газа?
Вадим Евстафьев
Apr. 14th, 2016 09:15 am (UTC)
Как они собственно умудряются получать не максвелловскую плазму?
tnenergy
Apr. 14th, 2016 09:35 am (UTC)
Где именно?
(no subject) - Вадим Евстафьев - Apr. 14th, 2016 03:41 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Apr. 20th, 2016 05:15 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Sep. 16th, 2016 11:57 am (UTC) - Expand
insane_reader
Jan. 14th, 2017 12:55 pm (UTC)
2017 год начался, что-нибудь новенькое про Tri Alpha есть? И по всем остальным похожим реакторам?

Edited at 2017-01-14 12:56 pm (UTC)
tnenergy
Jan. 14th, 2017 01:04 pm (UTC)
Конкретно по Tri Alpha некая пауза - у них с апреля 2016 по июнь 2017 строительство новой установки на месте старой. Я буду писать про конфу FPA 2016 (надеюсь в ближайшую неделю) и там будет текущий статус Три Альфа.

(no subject) - Андрей Гаврилов - Jan. 14th, 2017 02:07 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Jan. 14th, 2017 02:32 pm (UTC) - Expand
( 32 comments — Leave a comment )

Profile

tnenergy
Ядерная энергия

Latest Month

February 2018
S M T W T F S
    123
45678910
11121314151617
18192021222324
25262728   
Powered by LiveJournal.com