Термоядерный синтез с магнитным удержанием - Magnetic confinement fusion

Горячая плазма, удерживаемая магнитным полем в токамак

Термоядерный синтез с магнитным удержанием это подход к созданию термоядерный термоядерная энергия который использует магнитные поля ограничить термоядерное топливо в виде плазма. Магнитное удержание - одна из двух основных ветвей исследование термоядерной энергии, вместе с термоядерный синтез с инерционным удержанием. Магнитный подход появился в 1940-х годах и поглотил большую часть последующих разработок.

Реакции синтеза объединяют свет атомные ядра Такие как водород формировать более тяжелые, такие как гелий, производя энергию. Чтобы преодолеть электростатическое отталкивание между ядрами они должны иметь температуру в десятки миллионов градусов, создавая плазма. Кроме того, плазма должна удерживаться с достаточной плотностью в течение достаточного времени, как указано в Критерий Лоусона (тройное произведение).

Термоядерный синтез с магнитным удержанием пытается использовать электрическая проводимость плазмы удерживать ее за счет взаимодействия с магнитными полями. В магнитное давление компенсирует давление плазмы. Разработка подходящего расположения полей, которые содержат топливо без чрезмерной турбулентности или утечки, является основной задачей этой технологии.

История

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 команда изобрела токамак устройство магнитного удержания, которое продемонстрировало эффективность в десять раз лучше, чем альтернативы, и стало предпочтительным подходом.

Строительство термоядерной электростанции мощностью 500 МВт по данной конструкции, ИТЭР, началось в Франция в 2007 году. Согласно последнему графику, он должен начать работу в 2025 году.

Плазма

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 определить вероятность возникновения волны-убийцы и вычислить точный угол встречной волны, чтобы подавить ее.^[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

Магнитные зеркала

Важной областью исследований в первые годы исследований в области термоядерной энергии была 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 г. 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 советский коллектив убедительно продемонстрировал это. неустойчивость флейты действительно происходил, и когда команда США заявила, что не видит этой проблемы, Советы изучили свой эксперимент и отметили, что это произошло из-за простой ошибки приборов.

Советская команда также представила возможное 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 «тандемное зеркало», которое стало Установка для испытаний на сварку зеркал (MFTF). Никогда раньше не пробуя использовать эту схему, меньшая машина, Эксперимент с тандемным зеркалом (TMX) был построен для тестирования этой схемы. TMX продемонстрировал новую серию проблем, которые предполагали, что MFTF не достигнет своих целей по 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

Концепция тороидального термоядерного реактора

Z-защемление

Первая реальная попытка построить управляемый термоядерный реактор использовала щепотка эффект в тороидальном контейнере. Большой трансформатор упаковка контейнера использовалась для побудить ток в плазме внутри. Этот ток создает магнитное поле который сжимает плазму в тонкое кольцо, таким образом «зажимая» ее. Сочетание Джоулевое нагревание текущим и адиабатический нагрев поскольку он зажимает, поднимает температуру плазмы до необходимого 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. Примечательным среди них был кинк нестабильность, из-за чего защемленное кольцо билось 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 была британская ZETA реактор, построенный в 1957 году, который, казалось, успешно производил термоядерный синтез. Всего через несколько месяцев после его публичного объявления в январе 1958 года эти требования пришлось отозвать, когда было обнаружено, что нейтроны видимые были созданы новыми нестабильностями в плазменной массе. Дальнейшие исследования показали, что любой такой дизайн будет сопряжен с аналогичными проблемами, и исследования с использованием подхода z-пинча в основном закончились.

Стеллараторы

Ранней попыткой построить систему магнитного удержания была стелларатор, представлен Лайман Спитцер в 1951 году. По сути, стелларатор состоит из тора, который был разрезан пополам, а затем соединен обратно вместе прямыми «перекрещивающимися» 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 самых 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 уходила из системы гораздо 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 угас, и последняя разработка компании Университет Принстона, модель C, в конечном итоге 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

Магнитные поля токамака.

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 г. русский исследования на тороидальном токамак был впервые представлен публике с результатами, которые намного превзошли существующие попытки любого конкурирующего дизайна, магнитного или нет. С тех пор большая часть усилий по магнитному удержанию была основана на принципе токамака. В токамаке ток периодически проходит через саму плазму, создавая поле «вокруг» тора, которое в сочетании с тороидальным полем создает поле обмотки, в некоторой степени похожее на то, что есть в современном стеллараторе, по крайней мере, в том, что ядра движутся от от внутренней части к внешней стороне устройства, когда они обтекают его.

В 1991 г. НАЧНИТЕ был построен в Culham, Великобритания, как первая специально построенная сферический токамак. По сути, это был сферомак со вставленным центральным стержнем. СТАРТ дал впечатляющие результаты: значения β составляли примерно 40% - в три раза больше, чем у стандартных токамаков того времени. Эта концепция была расширена до более высоких плазменных токов и больших размеров с экспериментами NSTX (НАС), МАЧТА (Великобритания) и Глобус-М (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

Компактные тороиды, например в сферомак и Перевернутая конфигурация поля, попытка совместить хорошее ограничение конфигураций замкнутых магнитных поверхностей с простотой машин без центрального сердечника. Ранний эксперимент такого типа^{[сомнительный – обсуждать]} в 1970-е годы был Trisops. (Трисопс выстрелил двумя тета-пинч-кольцами навстречу друг другу.)

Другой

Еще несколько новых конфигураций тороидальных машин: пинч с перевернутым 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

Все эти устройства столкнулись со значительными проблемами при увеличении масштаба и подходе к Критерий 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 произойдет, процесс, известный как "распыление", частицы большой массы из контейнера (часто стали и других металлов) подмешиваются в термоядерное топливо, понижая его температуру.

В 1997 г. ученые из Совместный европейский тор Установки (JET) в Великобритании произвели 16 мегаватт термоядерной энергии. Ученые теперь могут осуществлять контроль над плазмой турбулентность и, как следствие, утечка энергии, долгое время считавшаяся 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] Электромагнитный волны могут вводиться и управляться для управления траекториями частиц плазмы, а затем для создания больших электрических токов, необходимых для создания магнитных полей, удерживающих плазму.^{[нужна 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.

Смотрите также

внешняя ссылка

[:0-1] а ^б Счастливый нейрон (18.12.2019). «Ядерный синтез скоро действительно может стать источником энергии для энергосистемы». Середина. Получено 2019-12-22.

[2] ttps://patents.google.com/patent/US20190295733A1/en

[3] Редакторы по физике ИТЭР (1999). «Глава 6: Дополнительный плазменный нагрев и привод тока». Nucl. Слияние. Группа экспертов ИТЭР по физике по энергетическим частицам, нагреву и току. 39: 2495.

[1]

[2]

[3]