Термоядерный реактор на плазменных вихрях от Tri Alpha

в 12:31, , рубрики: Научно-популярное, управляемый ядерный синтез, физика, метки:

Как известно, термоядерная реакция дейтерий-тритиевой смеси будет идти даже при комнатной температуре, только слишком медленно, чтобы 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 экстремальные цифры являются зоной интереса всех разработчиков термоядерных реакторов, а их достижение — задачей уже многодесятилетней разработки концепции управляемого термоядерного синтеза (УТС).

image
Открытая ловушка ГДЛ — одна из многочисленных концепций термоядерного реактора. Она 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 (главной 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.

image
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.

image
Плазменный вихрь FRC с вмороженным магнитным полоидальным полем (синий), «самозарождается» в продольном магнитом поле (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.

image
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, чтобы выделенной энергии слияния хватило на рентабельную работу электростанции, включая затраты на работу самого CBFR. Конечно, если концепция и расчеты авторов были полностью верны.

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

image
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, без учета затрат на работу установки) для D+T реакции, и примерно в 50000 раз хуже, чем нужно для рабочего реактора. Впрочем, то оборудование, на котором они вроде достигли этих величин, заставляет сомневаться в заявляемых цифрах.

image
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 сотрудников.

image
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 отличие 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.

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

image
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 (как на первой фотографии) — труба, обмотанная набором соленойдов на краях которой генерируется в FRC-вихри и ускоряясь до 250 км/с сталкиваются в центре.

image
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.

image
Набор диагностических приборов в установке С2.

Таким образом установка приближается к передовым токамакам конца 70х по уровню сложности и решаемых задач, однако в отличие от большой (частично военной) науки, финансируемой государством это полностью частные руки.

image
Новосибирские 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), причем время ограничивается длиной импульса системы NBI 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

image
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.

Автор: tnenergy

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля