DEMOnstration Power Station - DEMOnstration Power Station

ДЕМО (DEMOnstration Power Station) предлагается термоядерная реакция электростанция который предназначен для развития ИТЭР экспериментальный термоядерный реактор. Цели DEMO обычно понимаются как нечто среднее между целями ИТЭР и «первой в своем роде» коммерческой станцией, которую иногда называют ПРОТО.

Хотя нет четкого международного консенсуса относительно точных параметров или объема, следующие параметры часто используются в качестве базовых для проектных исследований: DEMO должен производить не менее двух гигаватт из термоядерная энергия на непрерывной основе, и он должен производить в 25 раз больше мощности, чем требуется для безубыточности. Проект DEMO мощностью от 2 до 4 гигаватт тепловой мощности будет в масштабе современного электроэнергия станция.[1]

ПроектВходВыходЗначение Q
JET24 МВт16 МВт0.67
ИТЭР50 МВт500 МВт10
ДЕМО80 МВт2000 МВт25

Для достижения своих целей DEMO должен иметь линейный размеры примерно на 15% больше, чем ИТЭР, а плазма плотность примерно на 30% больше, чем у ИТЭР. Как прототип коммерческий термоядерный реактор В 2006 году было подсчитано, что DEMO сможет сделать термоядерную энергию доступной к 2033 году, но предлагаемые операции сейчас отложены до 2050-х годов.[2] Предполагается, что последующие коммерческие термоядерные реакторы могут быть построены примерно за четверть стоимости DEMO,[3][4] но опыт ИТЭР показывает, что разработка многомиллиардного цикла технологических инноваций на основе токамаков, способного развиваться термоядерная энергия станции, которые могут конкурировать с технологиями, не использующими термоядерную энергию, вероятно, столкнутся с проблемой «долины смерти» в венчурный капитал, т.е. недостаточное вложение.[5]

Место DEMO в развитии термоядерной энергетики

Для некоторых стран консорциума ИТЭР DEMO теперь может быть фазой, а не конкретной машиной консорциума ИТЭР, и может даже стать свидетелем объединения фаз DEMO и PROTO в одну. США 2019 Национальные академии наук, инженерии и медицины В заключительном отчете комитета по Стратегическому плану исследования плазмы США для сжигания плазмы отмечалось, что «большое ДЕМО-устройство больше не кажется лучшей долгосрочной целью для программы США. Вместо этого, наука и технические инновации и растущий интерес и Потенциал для предприятий частного сектора по продвижению концепций и технологий термоядерной энергии предполагает, что более мелкие и компактные объекты лучше привлекут участие промышленности, сократят время и снизят стоимость пути развития коммерческой термоядерной энергии ".[6] Примерно две дюжины компаний частного сектора в настоящее время стремятся разработать свои собственные термоядерные реакторы в соответствии с графиком дорожной карты DEMO.[7][8] Объявление по атомной энергии Великобритании от 3 октября 2019 г. Сферический токамак для производства энергии (ШАГ)[9] подключенный к сети реактор на 2040 год предполагает, что комбинированная фазовая машина DEMO / PROTO, очевидно, будет спроектирована для чехарда расписание ИТЭР.[10] Предложенные Китаем CFETR подключенный к сети реактор, вырабатывающий гигаватт, перекрывает график DEMO.[11][12]

График

График DEMO несколько раз сдвигался из-за пробуксовки в графике ИТЭР. Следующее расписание было представлено на конференции МАГАТЭ по термоядерной энергии в 2004 г. Кристофер Ллевеллин Смит:[3]

  • Эскизное проектирование выполнено в 2017 г.
  • Техническое проектирование должно быть завершено к 2024 году (после ввода данных испытаний ITER D-T и данных IFMIF - оба задержаны с 2016 года)
  • Первый этап строительства продлится с 2024 по 2033 год.
  • Первый этап эксплуатации продлится с 2033 по 2038 год.
  • Затем станция должна быть расширена и обновлена ​​(например, с помощью проектирования одеяла 2 этапа).
  • Второй этап эксплуатации должен начаться в 2040 году.

В 2012 Европейское соглашение о развитии термоядерного синтеза (EFDA) представила дорожную карту для термоядерной энергии с планом, показывающим зависимость деятельности DEMO от ИТЭР и IFMIF.[13]

  • Концептуальный проект будет завершен в 2020 году[13]:63
  • Завершение инженерного проектирования и решение о строительстве в 2030 г.
  • Строительство с 2031 по 2043 год
  • Работа с 2044 года, демонстрация выработки электроэнергии в 2048 году

Эта дорожная карта на 2012 год должна была быть обновлена ​​в 2015 и 2019 годах.[13]:49 EFDA был заменен EUROfusion в 2013 году. В 2018 году дорожная карта была обновлена.[2]

  • Концептуальный проект должен быть завершен до 2030 года
  • Инженерное проектирование 2030-2040 гг.
  • Строительство с 2040 года

Это будет означать, что операции начнутся где-то в 2050-х годах.

Технические соображения

Смотрите также: термоядерная реакция и термоядерная энергия
В дейтерий -тритий (D-T) реакция синтеза считается наиболее перспективной для получения термоядерная энергия.
Схема ДЕМО термоядерной электростанции

Когда дейтерий и тритий предохранитель, два ядра собираются вместе, чтобы сформировать резонансное состояние, которое расщепляется, образуя в свою очередь гелий ядро ( альфа-частица ) и высокоэнергетический нейтрон.

2
1ЧАС
 + 3
1ЧАС
 → 4
2Он
 + 1
0п
 + 17,6 МэВ

DEMO будет построен после того, как будут разработаны конструкции, которые решат многие проблемы современных термоядерных реакторов. Эти проблемы включают в себя: удержание плазменного топлива при высоких температурах, поддержание достаточно высокой плотности реагирующих ионов и захват нейтронов высокой энергии из реакции без плавления стенок реактора.

  • Энергия активации синтеза очень велика, потому что протоны в каждом ядре сильно отталкиваются друг от друга; они оба положительно заряжен. Для слияния ядра должны находиться в пределах 1 фемтометр (1 × 10−15 метров) друг от друга, где эффекты квантового туннелирования позволяют родительским ядрам сливаться вместе в резонансное состояние. Принцип состоит в том, чтобы сформировать квазимаксвелловское распределение для дейтронов и тритонов при очень высоких температурах, когда ядра в хвосте Максвелла подвергаются слиянию, в то время как непрерывные упругие столкновения между другими ядрами не изменяют состояние ядра. плазма.
  • ДЕМО, а Токамак Для поддержания реакции термоядерного синтеза требуется как плотная плазма, так и высокие температуры.
  • Высоко температуры дать ядрам достаточно энергии, чтобы преодолеть их электростатическое отталкивание. Для этого требуются температуры в районе 100000000° C, и достигается за счет использования энергии из различных источников, в том числе Омический нагрев (от наведенных в плазме электрических токов), микроволны, ион пучки или инжекция нейтрального пучка.
  • Сосуды сдерживания плавятся при этих температурах, поэтому плазма следует держать подальше от стен, используя магнитное удержание.

Как только слияние началось, нейтроны высоких энергий около 160,000,000,000кельвины выльется из плазмы вместе с Рентгеновские лучи, ни на что не воздействуют сильные магнитные поля. Поскольку нейтроны получают большую часть энергии от термоядерного синтеза, они будут основным источником тепловой энергии реактора. Ультра-горячий гелиевый продукт с температурой примерно 40 000 000 000 кельвинов останется (временно) для нагрева плазмы и должен компенсировать все механизмы потерь (в основном тормозное излучение Рентгеновские лучи от замедления электронов), которые имеют тенденцию довольно быстро охлаждать плазму.

  • Защитный сосуд Токамака будет иметь футеровку, состоящую из керамической или композитной плитки, содержащей трубы, в которых теплая жидкость литий металл потечет, охлаждая вагонку.
  • Литий легко поглощает высокоскоростные нейтроны с образованием гелия и трития, при этом нагреваясь.
  • Это повышение температуры передается другой (промежуточной) охлаждающей жидкости, возможно (находящейся под давлением) жидкости. воды в герметичной трубе под давлением.
  • Тепло промежуточного хладагента будет использовано для кипячения воды в теплообменник.
  • Пар из теплообменника будет использоваться для привода турбин и генераторов, для создания электрический ток.
  • Отработанная тепловая энергия сверх выработанной электроэнергии сбрасывается в окружающую среду.
  • Побочный продукт гелия - это «пепел» этого синтеза, и ему не позволено слишком много накапливаться в плазме.
  • Тщательно отмеренные количества дейтерия и трития добавляются обратно в плазму и нагреваются.
  • Литий обрабатывается для удаления гелия и трития, а остаток используется повторно для сбора большего количества тепла и нейтронов. Потребляется лишь небольшое количество лития.

Планируется, что проект DEMO будет развивать и улучшать концепции ИТЭР. Поскольку это только предлагается в настоящее время, многие детали, включая методы нагрева и метод захвата нейтронов высоких энергий, все еще не определены.

Концептуальный дизайн

Все аспекты DEMO были подробно обсуждены в документе 2009 года Ассоциации Евратома-UKAEA Fusion.[14]Были изучены четыре концептуальных проекта PPCS A, B, C, D. Выявленные проблемы включали:[14]

В плане на 2012 год концептуальное проектирование должно быть завершено в 2020 году.

Радиоактивные отходы

В то время как термоядерные реакторы, такие как ITER и DEMO, не будут производить ни трансурановый ни продукт деления отходы, которые вместе составляют большую часть ядерные отходы произведено реакторы деления, некоторые компоненты реакторов ИТЭР и ДЕМО станут радиоактивными из-за нейтроны падают на них. Есть надежда, что плазменные облицовочные материалы будут разработаны таким образом, чтобы отходы, произведенные таким образом, будут намного короче полужизни чем отходы реакторов деления, при этом отходы остаются опасными менее одного столетия.[нужна цитата ] Разработка этих материалов - основная цель Международная установка по облучению термоядерных материалов. Процесс производство трития в настоящее время образуются долгоживущие отходы, но как ИТЭР, так и ДЕМО будут производить собственный тритий, обходясь без реактора деления, который в настоящее время используется для этой цели.[сомнительный – обсуждать] [15][неудачная проверка – см. обсуждение]

ПРОТО

Основная статья: ПРОТО (термоядерный реактор)

PROTO - это предложение для эксперимента за пределами ДЕМО, часть Европейская комиссия долгосрочная стратегия исследования термоядерной энергии. PROTO будет выступать в качестве прототипа электростанции, учитывая все оставшиеся технологические усовершенствования и демонстрируя производство электроэнергии на коммерческой основе. Это ожидается только после DEMO, после 2050 года и может быть или не быть второй частью эксперимента DEMO / PROTO.[16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Демонстрационные термоядерные реакторы». Fusion для энергии. Европейское совместное предприятие по ИТЭР и развитию термоядерной энергии. Архивировано из оригинал 8 июля 2007 г.. Получено 5 февраля 2011.
  2. ^ а б EUROfusion. "Дорожная карта". www.euro-fusion.org. Архивировано из оригинал 12 февраля 2019 г.. Получено 27 марта 2019.
  3. ^ а б «За пределами ИТЭР». Проект ИТЭР. Информационные службы, Принстонская лаборатория физики плазмы. Архивировано из оригинал 7 ноября 2006 г.
  4. ^ «Обзор деятельности EFDA». EFDA. Европейское соглашение о развитии термоядерного синтеза. Архивировано из оригинал 1 октября 2006 г.
  5. ^ Кардозо, Н. Дж. Лопес (4 февраля 2019 г.). «Экономические аспекты использования термоядерной энергии: долина смерти и инновационный цикл». Философские труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки. 377 (2141): 20170444. Bibcode:2019RSPTA.37770444C. Дои:10.1098 / rsta.2017.0444. ISSN  1364-503X. PMID  30967058.
  6. ^ Национальные академии наук, инженерии и медицины (США). Комитет по стратегическому плану исследований плазмы в США. Национальные академии наук, инженерии и медицины (США). Совет по физике и астрономии. Национальные академии наук, инженерии и медицины (США). Отдел инженерных и физических наук. (2019). Заключительный отчет комитета по стратегическому плану исследований плазмы горения в США. Пресса национальных академий: Пресса национальных академий. п. 12. ISBN  978-0-309-48743-6. OCLC  1107989881.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  7. ^ Асмундссон, Джон; Уэйд, Уилл (28 сентября 2019 г.). «Ядерный синтез может спасти планету от климатической катастрофы». Bloomberg.
  8. ^ Майклс, Дэниел (6 февраля 2020 г.). «Стартапы Fusion воплощают в жизнь многолетнюю мечту о чистой энергии». Журнал "Уолл Стрит. ISSN  0099-9660. Получено 24 февраля 2020.
  9. ^ Холлоуэй, Ник (3 октября 2019 г.). «Великобритания сделает большой шаг к синтезу электричества». Калемский центр термоядерной энергии. Получено 24 февраля 2020.
  10. ^ Гибни, Элизабет (11 октября 2019 г.). «Британские люки планируют построить первую в мире термоядерную электростанцию». Природа: d41586–019–03039-9. Дои:10.1038 / d41586-019-03039-9. ISSN  0028-0836. PMID  33037417.
  11. ^ Лю, Сяоган; Ван, Чжаолян; Рен, Йонг; Ли, Джунцзюнь; Инь, Дапэн; Ли, Лей; Гао, Сян; Ву Ю (1 января 2018 г.). «Оценка механических характеристик конструкции катушки модели центрального соленоида CFETR». Термоядерная реакция. 58 (1): 016035. Bibcode:2018NucFu..58a6035L. Дои:10.1088 / 1741-4326 / aa9866. ISSN  0029-5515.
  12. ^ Ли, Цзянган (11–14 мая 2015 г.). «Устранение пробелов в готовности к CFETR» (PDF). 3-й демонстрационный семинар TCM МАГАТЭ, Хэфэй, Китай: Институт физики плазмы, CAS. Получено 30 мая 2018.CS1 maint: location (связь)
  13. ^ а б c Fusion Electricity - план реализации термоядерной энергии EFDA 2012 - 8 миссий, ИТЭР, ДЕМО, план проекта с зависимостями, ...
  14. ^ а б ДЕМО и путь к термоядерной энергии, Дерек Сторк, Ассоциация термоядерного синтеза Евратом-UKAEA, сентябрь 2009 г.
  15. ^ «ИТЭР-топливо для реакции термоядерного синтеза». ИТЭР. Международный термоядерный экспериментальный реактор. Получено 28 июля 2010.
  16. ^ Дорожная карта для термоядерного синтеза с магнитным удержанием, Дэмиан Хэмпшир 2008 г. - Сообщается, что ИТЭР и IFMIF будут завершены в 2016 г.