Сила термоядерного синтеза - Fusion power

В Совместный европейский тор (JET) эксперимент по магнитному синтезу в 1991 г.

Сила термоядерного синтеза предлагаемая форма выработка энергии это сгенерирует электричество используя тепло от реакции ядерного синтеза. В процессе слияния две зажигалки атомные ядра объединяются, чтобы сформировать более тяжелое ядро, высвобождая при этом энергию. Устройства, предназначенные для использования этой энергии, известны как термоядерные реакторы.

Процессы термоядерного синтеза требуют топлива и замкнутой среды с достаточным температура, давление, и время заключения для создания плазма в котором может происходить слияние. Комбинация этих цифр, которая приводит к созданию энергосистемы, известна как Критерий Лоусона. В звездах наиболее распространенным топливом является водород, и сила тяжести обеспечивает чрезвычайно длительное время удержания, которое позволяет достичь условий, необходимых для производства термоядерной энергии. Предлагаемые термоядерные реакторы обычно используют водород. изотопы такие как дейтерий и тритий, которые реагируют более легко, чем водород, что позволяет им соответствовать требованиям критерия Лоусона в менее экстремальных условиях. Большинство конструкций стремятся нагреть топливо до десятков миллионов градусов, что представляет собой серьезную проблему для создания успешной конструкции.

Ожидается, что как источник энергии ядерный синтез будет иметь много преимуществ перед деление. К ним относятся сокращенные радиоактивность в эксплуатации и мало высокого уровня ядерные отходы, достаточный запас топлива и повышенная безопасность. Однако оказалось, что необходимое сочетание температуры, давления и продолжительности является трудным для практического и экономичного производства. Исследования термоядерных реакторов начались в 1940-х годах, но до настоящего времени ни одна конструкция не обеспечивала большей выходной мощности термоядерного синтеза, чем потребляемая электрическая, что противоречит цели.^[1] Вторая проблема, которая влияет на обычные реакции, - это управление нейтроны которые высвобождаются во время реакции, которые со временем деградировать в реакционной камере используются многие обычные материалы.

Исследователи термоядерного синтеза исследовали различные концепции заключения. Первоначально акцент делался на трех основных системах: z-щепотка, стелларатор, и магнитное зеркало. Текущие ведущие разработки - это токамак и инерционное удержание (ICF) автор: лазер. Оба дизайна исследуются в очень больших масштабах, в первую очередь ИТЭР токамак во Франции, а Национальный центр зажигания лазер в США. Исследователи также изучают другие конструкции, которые могут предложить более дешевые подходы. Среди этих альтернатив растет интерес к синтез намагниченной мишени и инерционное электростатическое удержание, и новые варианты стелларатора.

Задний план

В солнце, как и другие звезды, - природный термоядерный реактор, где звездный нуклеосинтез превращает более легкие элементы в более тяжелые с высвобождением энергии.

Связывающая энергия для разных атомные ядра. Железо-56 имеет самый высокий показатель, что делает его наиболее стабильным. Ядра слева могут сливаться; те, кто правее, скорее всего, разделятся.

Механизм

Реакции синтеза происходят, когда два или более атомных ядра сближаются достаточно долго, чтобы ядерная сила объединение их превышает электростатическая сила раздвигая их, превращая в более тяжелые ядра. Для ядер легче железо-56, реакция экзотермический, высвобождая энергию. Для ядер тяжелее железа-56 реакция эндотермический, требующий внешнего источника энергии.^[2] Следовательно, ядра, меньшие, чем железо-56, с большей вероятностью сливаются, а ядра тяжелее железа-56 с большей вероятностью распадутся.

Сильная сила действует только на короткие расстояния, в то время как отталкивающая электростатическая сила действует на большие расстояния. Чтобы подвергнуться слиянию, атомам топлива нужно дать достаточно энергии, чтобы сблизиться друг с другом достаточно близко, чтобы сильная сила стала активной. Количество кинетическая энергия необходим для подведения атомов топлива достаточно близко, известна какКулоновский барьер ". Способы обеспечения этой энергии включают ускорение атомов в ускоритель частиц, или нагревая их до высоких температур.

Как только атом нагревается выше своего ионизация энергия, это электроны удаляются (он ионизирован), оставляя только голое ядро ​​( ион ). Результатом является горячее облако ионов и электронов, ранее прикрепленных к ним. Это облако известно как плазма. Поскольку заряды разделены, плазма является электропроводной и управляемой магнитным полем. Многие термоядерные устройства используют это преимущество для управления частицами по мере их нагрева.

Поперечное сечение

Скорость реакции синтеза быстро увеличивается с температурой до максимума, а затем постепенно снижается. Скорость синтеза дейтерия и трития достигает пика при более низкой температуре (около 70 кэВ, или 800 миллионов кельвинов) и при более высоком значении, чем другие реакции, обычно рассматриваемые для получения энергии синтеза.

Реакция поперечное сечение, обозначаемая σ, является мерой вероятности того, что произойдет реакция синтеза. Это зависит от относительной скорости двух ядер. Более высокие относительные скорости обычно увеличивают вероятность, но вероятность снова начинает уменьшаться при очень высоких энергиях. Сечения многих реакций синтеза были измерены (в основном в 1970-х годах) с использованием пучки частиц.^[3]

В плазме скорость частицы можно охарактеризовать с помощью распределения вероятностей. Если плазма термализована, распределение выглядит как кривая колокола, или максвелловское распределение. В этом случае полезно использовать среднее сечение частиц по распределению скоростей. Это вводится в объемную скорость плавления:^[4]

${ displaystyle P _ { text {fusion}} = n_ {A} n_ {B} langle sigma v_ {A, B} rangle E _ { text {fusion}}}$

где:

• ${ displaystyle P _ { text {fusion}}}$ это энергия, полученная при синтезе, за время и объем
• п - числовая плотность разновидностей A или B частиц в объеме
• ${ displaystyle langle sigma v_ {A, B} rangle}$ поперечное сечение этой реакции, среднее по всем скоростям двух видов v
• ${ displaystyle E _ { text {fusion}}}$ это энергия, выделяемая этой реакцией слияния.

Критерий Лоусона

В Критерий Лоусона показывает, как выход энергии зависит от температуры, плотности, скорости столкновения и топлива. Это уравнение было центральным в анализе Джона Лоусона термоядерного синтеза с горячей плазмой. Лоусон предположил энергетический баланс, показано ниже.^[4]

${ displaystyle P _ { text {out}} = eta _ { text {capture}} left (P _ { text {fusion}} - P _ { text {проводимость}} - P _ { text {излучение} }правильно)}$

• η, эффективность
• ${ displaystyle P _ { text {кондукция}}}$, потери проводимости, когда энергетическая масса покидает плазму
• ${ displaystyle P _ { text {радиация}}}$, радиационные потери, поскольку энергия уходит как свет
• ${ displaystyle P _ { text {out}}}$, чистая мощность от термоядерного синтеза
• ${ displaystyle P _ { text {fusion}}}$, - скорость энергии, генерируемой реакциями синтеза.

Плазменные облака теряют энергию из-за проводимость и радиация.^[4] Проводимость возникает при ионы, электроны, или нейтралы воздействуют на другие вещества, обычно на поверхность устройства, и передают часть своей кинетической энергии другим атомам. Радиация - это энергия, которая оставляет облако как свет в видимом свете, УФ, ИК, или Рентгеновский спектры. Излучение увеличивается с температурой. Технологии термоядерной энергии должны преодолеть эти потери.

Тройной продукт: плотность, температура, время

В Критерий Лоусона утверждает, что машина с термализованным и квази-нейтральный плазма должна соответствовать основным критериям для преодоления радиация убытки, проводимость потерь и достичь КПД 30 процентов.^[4][5] Это стало известно как «тройной продукт»: плотность плазмы, температура и время удержания.^[6]

В конструкциях с магнитным ограничением плотность очень мала, порядка «хорошего вакуума». Это означает, что полезные скорости реакции требуют увеличения температуры и времени удержания для компенсации низкой плотности. Температуры, соответствующие термоядерному плавлению, были достигнуты с использованием различных методов нагрева, разработанных в начале 1970-х годов, а с 2019 года в современных машинах.^{[Обновить]}, главный остающийся вопрос - время заключения. Плазма в сильных магнитных полях подвержена ряду внутренних нестабильностей, которые необходимо подавлять, чтобы достичь полезного времени. Один из способов сделать это - просто увеличить объем реактора, что снизит скорость утечки из-за классическая диффузия. Вот почему современный дизайн нравится ИТЭР такие большие.

Напротив, системы инерционного удержания приближаются к полезным тройным значениям продукта за счет более высокой плотности и имеют исчезающе малое время удержания. В современных машинах, таких как NIF, исходная загрузка замороженного водородного топлива имеет меньшую плотность, чем плотность воды, которая увеличивается примерно в 100 раз до плотности свинца. В этих условиях скорость плавления настолько высока, что вся топливная загрузка подвергается плавлению за микросекунды, необходимые для того, чтобы тепло, выделяемое в результате реакций, разнесло топливо на части. Хотя современные машины ICF, такие как NIF, также чрезвычайно велики, это является функцией их «драйверной» конструкции, а не внутренним критерием конструкции самого процесса сплавления.

Захват энергии

Было предложено несколько подходов к захвату энергии. Самый простой - нагреть жидкость. Большинство разработок сосредоточено на реакции D-T, которая выделяет большую часть своей энергии в нейтроне. Нейтрон электрически нейтрален, он выходит из удержания. В большинстве таких проектов он в конечном итоге заключен в толстое «одеяло» из литий окружающие активную зону реактора. При ударе нейтрона высокой энергии литий может производить тритий, который затем возвращается в реактор. Энергия этой реакции также нагревает бланкет, который затем активно охлаждается рабочей жидкостью, а затем эта жидкость используется для привода обычных турбомашин.

Также было предложено использовать нейтроны для образования дополнительного топлива деления в бланкете из ядерные отходы, концепция, известная как гибрид деления-термоядерного синтеза. В этих системах выходная мощность увеличивается за счет событий деления, а мощность извлекается с использованием систем, подобных тем, что используются в обычных реакторах деления.^[7]

Конструкции, в которых используются другие виды топлива, особенно реакция p-B, выделяют гораздо больше своей энергии в виде заряженных частиц. В этих случаях возможны альтернативные системы отбора мощности, основанные на движении этих зарядов. Прямое преобразование энергии был разработан в Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора (LLNL) в 1980-х годах как метод поддержания напряжения с использованием продуктов реакции синтеза. Это продемонстрировало эффективность захвата энергии 48 процентов.^[8]

Методы

Плазменное поведение

Плазма - это ионизированный газ, проводящий электричество.^[9]:10 Массово моделируется с использованием магнитогидродинамика, который представляет собой комбинацию Уравнения Навье – Стокса регулирующие жидкости и Уравнения Максвелла регулирующий, как магнитный и электрические поля вести себя.^[10] Fusion использует несколько свойств плазмы, в том числе:

• Самоорганизующаяся плазма проводит электрические и магнитные поля. Его движения могут генерировать поля, которые, в свою очередь, могут его содержать.^[11]
• Диамагнитная плазма может генерировать собственное внутреннее магнитное поле. Это может отклонить внешнее магнитное поле, сделав его диамагнитным.^[12]
• Магнитные зеркала может отражать плазму, когда она движется из поля низкой плотности в поле высокой.^[13]:245

Магнитное удержание

• Токамак: наиболее развитый и хорошо финансируемый подход к термоядерной энергии. Этот метод перемещает горячую плазму в магнитно ограниченном торе с внутренним током. По завершении ИТЭР станет крупнейшим токамаком в мире. По состоянию на апрель 2012 года примерно 215 экспериментальных токамаков были запланированы, выведены из эксплуатации или в настоящее время эксплуатируются (35) по всему миру.^[14]
• Сферический токамак: также известен как сферический тор. Вариант токамака сферической формы.
• Стелларатор: Закрученные кольца горячей плазмы. Стелларатор пытается создать естественный виток плазмы, используя внешние магниты, в то время как токамаки создают эти магнитные поля, используя внутренний ток. Стеллараторы разработаны Лайман Спитцер в 1950 году и имеют четыре дизайна: Торсатрон, Гелиотрон, Гелиак и Гелиас. Одним из примеров является Вендельштейн 7-X, немецкий термоядерный аппарат, который произвел первую плазму 10 декабря 2015 года. Это самый большой в мире стелларатор,^[15] разработан для исследования пригодности этого типа устройства для электростанции.
• Внутренние кольца: Стеллараторы создают закрученную плазму с помощью внешних магнитов, а токамаки - с помощью тока, индуцированного в плазме. Несколько классов конструкций обеспечивают такую ​​скрутку с использованием проводников внутри плазмы. Ранние расчеты показали, что столкновения между плазмой и опорами для проводников будут удалять энергию быстрее, чем реакции синтеза могут заменить. Современные вариации, в том числе Эксперимент с левитирующим диполем (LDX) используйте твердый сверхпроводящий тор, который магнитно левитирует внутри камеры реактора.^[16]
• Магнитное зеркало: Разработан Ричард Ф. Пост и команды на LLNL в 1960-е гг.^[17] Магнитные зеркала отражали горячую плазму взад и вперед по прямой. Вариации включали Тандемное зеркало, магнитная бутылка и биконический бугорок.^[18] В 1970-х и 1980-х годах правительство США построило серию хорошо финансируемых больших зеркальных машин, в основном на Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора.^[19] Однако расчеты 1970-х годов показали, что маловероятно, что они когда-либо будут коммерчески полезны.
• Бугристый тор: Несколько магнитных зеркал расположены встык в тороидальное кольцо. Любые ионы топлива, которые выходят из одного, удерживаются в соседнем зеркале, что позволяет поднять давление плазмы на произвольное значение без потерь. Экспериментальная установка, ELMO Bсудья Тorus или EBT был построен и испытан в Национальной лаборатории Ок-Ридж в 1970-х годах.
• Конфигурация с обратным полем: Это устройство захватывает плазму в самоорганизованную квазистабильную структуру; где движение частицы создает внутреннее магнитное поле, которое затем захватывает себя.^[20]
• Сферомак: Полустабильная плазменная структура, очень похожая на конфигурацию с перевернутым полем, создается с использованием собственного магнитного поля плазмы. Сферомак имеет как тороидальное, так и полоидальное поля, в то время как конфигурация с обратным полем не имеет тороидального поля.^[21]
• Пинч с перевернутым полем: Здесь плазма движется внутри кольца. Имеет внутреннее магнитное поле. Двигаясь из центра этого кольца, магнитное поле меняет направление на противоположное.

Инерционное удержание

• Непрямой привод: В этом методе лазеры нагревают структуру, известную как Hohlraum становится настолько горячим, что начинает излучать огромное количество Рентгеновский свет. Эти рентгеновские лучи нагревают небольшую таблетку топлива, заставляя ее схлопнуться внутрь, чтобы сжать топливо. Самая крупная система, использующая этот метод, - это Национальный центр зажигания, за которым следует Лазерный мегаджоуль.^[22]
• Прямой привод: Разновидность техники ICF, при которой лазеры воздействуют непосредственно на топливную таблетку. Известные эксперименты с прямым приводом были проведены в Лаборатория лазерной энергетики и ГЕККО XII объекты. Хорошая имплозия требует топливных таблеток почти идеальной формы для создания симметричной внутренней части. ударная волна который производит плазму высокой плотности.
• Быстрое зажигание: В этом методе используются два лазерных импульса. Первый взрыв сжимает термоядерное топливо, а второй импульс высокой энергии зажигает его. По состоянию на 2019 год^{[Обновить]} этот метод больше не используется для производства энергии из-за ряда неожиданных проблем.^[23]
• Магнито-инерционный синтез или Намагниченный лайнер инерционный сплав: Это объединяет лазерный импульс с магнитным пинчем. Пинч-сообщество называет это инерционным синтезом намагниченных лайнеров, в то время как сообщество ICF называет его магнито-инерционным синтезом.^[24]
• Пучки тяжелых ионов Есть также предложения сделать термоядерный синтез с инерционным удержанием с помощью ионных пучков вместо лазерных.^[25] Основное отличие состоит в том, что пучок имеет импульс, обусловленный массой, а лазеры - нет. Однако, учитывая то, что было изучено с помощью лазерных устройств, кажется маловероятным, что ионные пучки могут быть сфокусированы как в пространстве, так и во времени в соответствии с точными потребностями ICF.
• Z-машина Уникальный подход к ICF - это z-машина, которая пропускает через тонкие вольфрамовые проволоки мощный электрический ток, нагревая их до рентгеновских лучей. Как и в случае с косвенным приводом, эти рентгеновские лучи затем сжимают топливную капсулу.

Магнитные или электрические зажимы

• Z-ущипнуть: Этот метод пропускает через плазму сильный ток (в направлении оси z). Ток создает магнитное поле, которое сжимает плазму до условий термоядерного синтеза. Щипки были первым методом искусственного управляемого термоядерного синтеза.^[26][27] Однако позже было обнаружено, что z-пинчу присуща нестабильность, которая ограничивает его сжатие и нагрев до значений, слишком низких для практического термоядерного синтеза, и самая большая из таких машин, британская ZETA, был последним крупным экспериментом подобного рода. Исследование проблем Z-пинча привело к созданию токамака. Более поздние вариации дизайна включают фокус плотной плазмы (DPF).
• Тета-пинч: Этот метод направляет ток вокруг плазменного столба в тета-направлении. Это вызывает магнитное поле, бегущее по центру плазмы, а не вокруг него. Раннее устройство тета-пинча Scylla было первым, кто убедительно продемонстрировал синтез, но более поздние исследования показали, что ему присущи ограничения, которые сделали его неинтересным для производства энергии.
• Z-пинч со сдвиговой стабилизацией потока: Исследования в Вашингтонский университет под руководством профессора Ури Шумлака исследовал использование стабилизации сдвигового потока для сглаживания нестабильности Z-пинчевых реакторов. Это включает ускорение нейтрального газа вдоль оси пинча с использованием нескольких экспериментальных машин, таких как экспериментальные реакторы FuZE и Zap Flow Z-Pinch.^[28] В 2017 году Шумлак стал соучредителем частной компании Zap Energy, чтобы попытаться коммерциализировать технологию для производства электроэнергии.^[29][30][31]
• Винт зажима: Этот метод сочетает тета- и z-пинч для улучшения стабилизации.^[32]

Инерционное электростатическое удержание

• Fusor: Этот метод использует электрическое поле для нагрева ионов до условий термоядерного синтеза. В машине обычно используются две сферические клетки, катод внутри анода, внутри вакуума. Эти машины не считаются жизнеспособным подходом к чистой мощности из-за их высокой проводимость и радиация.^[33] убытки. Их достаточно просто построить, чтобы любители сливали атомы с их помощью.^[34]
• Polywell: Эта конструкция пытается объединить магнитное удержание с электростатическими полями, чтобы избежать проводимость потери, вызванные клеткой.^[35]

Другой

• Слияние намагниченной цели: Этот метод удерживает горячую плазму с помощью магнитного поля и сжимает ее с помощью инерции. Примеры включают LANL Машина FRX-L,^[36] General Fusion и эксперимент с плазменным лайнером.^[37]
• Кластерный ударный синтез Микроскопические капли тяжелой воды с большой скоростью проникают в цель или друг в друга. Исследователи из Брукхейвена сообщили о положительных результатах, которые позже были опровергнуты дальнейшими экспериментами. Эффекты слияния действительно возникали из-за загрязнения капель.
• Неконтролируемый: Термоядерный синтез был инициирован человеком с помощью неконтролируемых ядерных взрывов для зажигания так называемых водородных бомб. Ранние предложения по термоядерной энергии включали использование бомб для инициирования реакции. Смотрите также Проект PACER.
• Сварка пучка: Пучок частиц высокой энергии может быть запущен в другой луч или цель, и произойдет синтез. Это использовалось в 1970-х и 1980-х годах для изучения сечений реакций синтеза при высоких энергиях.^[3] Однако лучевые системы не могут использоваться для электростанции, потому что для сохранения когерентности луча требуется гораздо больше энергии, чем при синтезе.
• Bubble Fusion: Это была термоядерная реакция, которая должна была происходить внутри чрезвычайно больших схлопывающихся пузырьков газа, созданных во время акустической кавитации жидкости.^[38] Такой подход был дискредитирован.
• Холодный синтез: Это гипотетический тип ядерной реакции, которая может происходить при комнатной температуре или около нее. Холодный синтез дискредитирован и получил репутацию патологическая наука.^[39]
• Синтез, катализируемый мюонами: Этот подход заменяет электроны в двухатомные молекулы из изотопы из водород с участием мюоны - гораздо более массивные частицы с тем же электрический заряд. Их большая масса приводит к тому, что ядра сближаются настолько, что сильное взаимодействие может вызвать слияние.^[40] В настоящее время для производства мюонов требуется больше энергии, чем можно получить в результате синтеза, катализируемого мюонами. Если не решить эту проблему, синтез с использованием мюонов нецелесообразен для производства электроэнергии.^[41]

Общие инструменты

Общие инструменты - это подходы, оборудование и механизмы, которые общеприняты и используются при нагреве плавлением, измерениях и производстве энергии.^[42]

Обогрев

Газ нагревается до образования плазмы, достаточно горячей для начала термоядерного синтеза. Исследован ряд схем отопления. При аннигиляции антипротонов теоретически некоторое количество антипротонов, введенных в массу термоядерного топлива, может вызывать термоядерные реакции. Эта возможность как метод движения космического корабля, известный как Катализируемая антиматерией ядерная импульсная двигательная установка, был исследован в Государственный университет Пенсильвании в связи с предлагаемым AIMStar проект.

При электростатическом нагреве электрическое поле может Работа на заряженных ионах или электронах, нагревая их.^[43] При магнитном пересоединении, когда плазма в объеме становится действительно плотной, она может начать изменять электромагнитные свойства этого объема. Это может привести к соединению двух магнитных полей. Это известно как магнитное пересоединение. Повторное соединение помогает синтезу, потому что оно мгновенно сбрасывает огромное количество энергии в плазму, быстро нагревая ее. Ионы могут нагреваться до 45% энергии магнитного поля.^[44][45]

С помощью магнитных колебаний в магнитные катушки можно подавать различные электрические токи, чтобы нагреть плазму, заключенную в магнитной стенке.^[46]

При магнитном пересоединении, когда плазма в объеме становится действительно плотной, она может начать изменять электромагнитные свойства этого объема. Это может привести к соединению двух магнитных полей. Это известно как магнитное пересоединение. Повторное соединение помогает синтезу, потому что оно мгновенно сбрасывает огромное количество энергии в плазму, быстро нагревая ее. Ионы могут нагреваться до 45% энергии магнитного поля.^[44][45]

При инжекции нейтрального пучка внешний источник водорода ионизируется и ускоряется электрическим полем, чтобы сформировать заряженный пучок, который просвечивается через источник нейтрального газообразного водорода в направлении плазмы, которая сама ионизируется и удерживается в реакторе магнитным полем. Часть промежуточного газообразного водорода ускоряется по направлению к плазме за счет столкновений с заряженным пучком, оставаясь при этом нейтральным: этот нейтральный пучок, таким образом, не подвержен влиянию магнитного поля и поэтому проходит через него в плазму. Оказавшись внутри плазмы, нейтральный луч передает энергию плазме посредством столкновений, в результате которых он становится ионизированным и, таким образом, удерживается магнитным полем, тем самым нагревая и заправляя реактор за одну операцию. Остальная часть заряженного пучка отклоняется магнитными полями на охлаждаемые отводы пучка.^[47]

При радиочастотном нагреве к плазме прикладывается радиоволна, заставляющая ее колебаться. Это в основном та же концепция, что и микроволновая печь. Это также известно как электронно-циклотронный резонансный нагрев или диэлектрический нагрев.^[48]

Измерение

Был исследован ряд схем измерения. В технике магнитной петли петля из проволоки вставляется в магнитное поле. Когда поле проходит через петлю, возникает ток. Ток измеряется и используется для определения общего магнитного потока, проходящего через этот контур. Это было использовано на Национальный компактный стеллараторный эксперимент,^[49] то поливелл,^[50] и LDX машины. Также можно использовать зонд Ленгмюра, металлический объект, помещенный в плазму. К нему прикладывается потенциал, придающий ему положительный или отрицательный Напряжение против окружающей плазмы. Металл собирает заряженные частицы, протягивая ток. При изменении напряжения изменяется и ток. Это делает Кривая IV. ВАХ может использоваться для определения локальной плотности, потенциала и температуры плазмы.^[51]

При томсоновском рассеянии свет рассеивается из плазмы. Этот свет можно обнаружить и использовать для воссоздания поведения плазмы. Этот метод можно использовать для определения его плотности и температуры. Это распространено в Термоядерный синтез с инерционным удержанием,^[52] Токамаки,^[53] и фузоры. В системах ICF это можно сделать, направив второй луч в золотую фольгу, прилегающую к цели. Это делает рентгеновские лучи, которые рассеивают или проходят через плазму. В токамаках это может быть сделано с помощью зеркал и детекторов для отражения света в плоскости (два измерения) или по линии (одно измерение).

Детекторы нейтронов также могут использоваться, поскольку синтез дейтерия или трития производит нейтроны. Нейтроны взаимодействуют с окружающим веществом способами, которые можно обнаружить. Существует несколько типов нейтронных детекторов. который может регистрировать скорость, с которой нейтроны производятся во время реакций синтеза. Они являются важным инструментом для демонстрации успеха.^[54][55]

Могут использоваться детекторы рентгеновского излучения. Вся плазма теряет энергию из-за излучения света. Это охватывает весь спектр: видимое, инфракрасное, УФ и рентгеновское излучение. Это происходит каждый раз, когда частица меняет скорость по любой причине.^[56] Если причина - отклонение магнитным полем, излучение Циклотрон излучение на малых скоростях и Синхротрон излучение на высоких скоростях. Если причиной является отклонение другой частицы, плазма излучает рентгеновские лучи, известные как Тормозное излучение радиация. Рентгеновские лучи бывают жесткими и мягкими в зависимости от их энергии.^[57]

Производство энергии

Было предложено, чтобы паровые турбины использоваться для преобразования тепла из термоядерной камеры в электричество.^[58] Тепло передается в рабочая жидкость который превращается в пар, приводящий в движение электрические генераторы.

Нейтронные одеяла Синтез дейтерия и трития дает нейтроны. Это зависит от техники (NIF имеет рекорд 3E14 нейтронов в секунду.^[59] в то время как типичный фузор производит 1E5–1E9 нейтронов в секунду). Было предложено использовать эти нейтроны как способ регенерации отработавшего ядерного топлива.^[60] или как способ разведения трития с использованием одеяла родительского стада, состоящего из жидких литий или, как в более поздних конструкциях реакторов, галечный слой, охлаждаемый гелием, состоящий из литийсодержащих керамических шариков, изготовленных из таких материалов, как титанат лития, ортосиликат лития или смеси этих фаз.^[61]

Прямое преобразование Это метод, в котором кинетическая энергия частицы превращается в Напряжение.^[62] Впервые это было предложено Ричард Ф. Пост в сочетании с магнитные зеркала, в конце шестидесятых. Это также было предложено для Конфигурации с обратным полем. Процесс берет плазму, расширяет ее и преобразует большую часть случайной энергии продуктов термоядерного синтеза в направленное движение. Затем частицы собираются на электродах при различных высоких электрических потенциалах. Этот метод продемонстрировал экспериментальную эффективность 48 процентов.^[63]

Заключение

Пространство параметров занято инерционная термоядерная энергия и энергия магнитного синтеза устройства по состоянию на середину 1990-х гг. Режим, допускающий термоядерное зажигание с высоким коэффициентом усиления, находится в правом верхнем углу графика.

Заключение относится ко всем условиям, необходимым для того, чтобы плазма оставалась плотной и горячей достаточно долго для термоядерного синтеза. Вот несколько общих принципов.

• Равновесие: Силы, действующие на плазму, должны быть сбалансированы для сдерживания. Одно исключение инерционное удержание, где соответствующая физика должна происходить быстрее, чем время разборки.
• Стабильность: Плазма должна быть сконструирована так, чтобы возмущения не приводили к ее разложению.
• Транспорт или проводимость: Потеря материала должна быть достаточно медленной.^[4] Плазма уносит с собой энергию, поэтому быстрая потеря материала нарушит баланс мощности любого оборудования. Материал может быть потерян при транспортировке в другие регионы или проводимость через твердое тело или жидкость.

Чтобы произвести самоподдерживающийся синтез, энергия, выделяемая в результате реакции (или, по крайней мере, ее часть), должна использоваться для нагрева новых ядер-реагентов и поддержания их в горячем состоянии достаточно долго, чтобы они также подвергались реакциям синтеза.

Неограниченный

Первая крупномасштабная реакция термоядерного синтеза, созданная человеком, была испытанием водородная бомба, Айви Майк, в 1952 году. В рамках PACER В проекте когда-то предлагалось использовать водородные бомбы в качестве источника энергии, взрывая их в пещерах, а затем вырабатывая электричество из произведенного тепла, но такая электростанция вряд ли когда-либо будет построена.

Магнитное удержание

Магнитное зеркало

Одним из примеров магнитного удержания является магнитное зеркало эффект. Если частица следует за линией поля и попадает в область с более высокой напряженностью поля, частицы могут отражаться. Есть несколько устройств, которые пытаются использовать этот эффект. Самыми известными были магнитные зеркальные машины, представлявшие собой серию больших и дорогих устройств, построенных в Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора с 1960-х до середины 1980-х гг.^[64] Некоторые другие примеры включают магнитные бутылки и Биконический бугорок.^[65] Поскольку зеркальные машины были прямыми, они имели некоторые преимущества перед кольцевыми. Во-первых, зеркала было проще конструировать и обслуживать, а во-вторых, прямое преобразование захват энергии было проще реализовать.^[8] Поскольку ограниченность, достигнутая в экспериментах, была плохой, от этого подхода в значительной степени отказались, за исключением конструкции поливарны.^[66]

Магнитные петли

Другой пример магнитного удержания - изгиб силовых линий обратно на самих себя, либо по кругу, либо, что чаще, во вложенных тороидальный поверхности. Наиболее развитой системой этого типа является токамак, с стелларатор следующий самый продвинутый, за ним следует Пинч с перевернутым полем. Компактные тороиды, особенно Перевернутая конфигурация поля и сферомак, попытка объединить преимущества тороидальных магнитных поверхностей с преимуществами односвязный (нетороидальная) машина, в результате чего механически проще и меньше площадь удержания.

Инерционное удержание

Инерционное удержание это использование быстро взрывающейся оболочки для нагрева и удержания плазмы. Оболочка взрывается с помощью прямого лазерного излучения (прямой привод) или вторичного рентгеновского излучения (непрямой привод) или пучков тяжелых ионов. Теоретически синтез с использованием лазеров будет осуществляться с использованием крошечных топливных шариков, которые взрываются несколько раз в секунду. Чтобы вызвать взрыв, гранула должна быть сжата с помощью энергетических лучей примерно до 30-кратной плотности твердого тела. Если используется прямой привод - лучи фокусируются непосредственно на грануле - это в принципе может быть очень эффективным, но на практике трудно получить необходимую однородность.^[67]:19-20 Альтернативный подход, непрямой привод, использует лучи для нагрева оболочки, а затем оболочка излучает рентгеновские лучи, которые затем взорвали гранулу. Лучи обычно являются лазерными, но тяжелыми и легкими. ионные пучки и все электронные пучки были исследованы.^[67]:182-193

Электростатическое удержание

Это также синтез с электростатическим удержанием устройств. Эти устройства ограничивают ионы с использованием электростатических полей. Самым известным является фузор. Это устройство имеет катод внутри клетки анодной проволоки. Положительные ионы летят к отрицательной внутренней клетке и при этом нагреваются электрическим полем. Если они не попадут во внутреннюю клетку, они могут столкнуться и взорваться. Однако ионы обычно попадают на катод, создавая непомерно высокий проводимость убытки. Кроме того, скорость синтеза в фузоры очень низкие из-за конкурирующих физических эффектов, таких как потеря энергии в виде светового излучения.^[68] Были предложены конструкции, позволяющие избежать проблем, связанных с клеткой, путем создания поля с использованием ненейтрального облака. К ним относятся плазменные колебательные устройства,^[69] а сетка с магнитным экраном, а ловушка, то поливелл,^[70] и концепция катодного драйвера F1.^[71] Однако технология относительно незрелая, и многие научные и инженерные вопросы остаются нерешенными.

Топлива

Путем стрельбы пучками частиц по мишеням было проверено множество реакций синтеза, в то время как топливо, рассматриваемое в качестве источника энергии, было легкими элементами, такими как изотопы водорода -протий, дейтерий, и тритий.^[3] Дейтерий и гелий-3 для реакции требуется гелий-3, изотоп гелия, которого на Земле так мало, что его пришлось бы добыто инопланетянами или произведены другими ядерными реакциями. Наконец, исследователи надеются провести реакцию протия и бора-11, потому что она не производит напрямую нейтронов, хотя побочные реакции могут.^[72]

Дейтерий, тритий

Схема реакции D-T

Самая простая ядерная реакция при самой низкой энергии:

²
₁D
+ ³
₁Т
→ ⁴
₂Он
(3,5 МэВ) + ¹
₀п
(14,1 МэВ)

Эта реакция широко используется в исследовательских, промышленных и военных приложениях, обычно как удобный источник нейтронов. Дейтерий является естественным изотоп водорода и широко доступен. Большое массовое соотношение изотопов водорода облегчает их разделение по сравнению с трудными обогащение урана обработать. Тритий является естественным изотопом водорода, но из-за короткого период полураспада 12,32 года его сложно найти, хранить, производить и он стоит дорого. Следовательно, дейтерий-тритиевый топливный цикл требует разведение из тритий от литий используя одну из следующих реакций:

¹
₀п
+ ⁶
₃Ли
→ ³
₁Т
+ ⁴
₂Он

¹
₀п
+ ⁷
₃Ли
→ ³
₁Т
+ ⁴
₂Он
+ ¹
₀п

Реагирующий нейтрон доставляется реакцией синтеза D-T, показанной выше, и той, которая имеет наибольший выход энергии. Реакция с ⁶Ли экзотермический, обеспечивая небольшой выигрыш в энергии для реактора. Реакция с ⁷Ли эндотермический но не потребляет нейтрон. По крайней мере, некоторые реакции размножения нейтронов необходимы, чтобы заменить нейтроны, потерянные из-за поглощения другими элементами. Основными кандидатами в материалы для размножения нейтронов являются бериллий, но ⁷Вышеупомянутая реакция Ли также помогает поддерживать высокий уровень нейтронной популяции. Природный литий в основном ⁷Li, однако, имеет низкое производство трития. поперечное сечение в сравнении с ⁶Li, поэтому в большинстве конструкций реакторов используются бланкеты-размножители с обогащенным ⁶Ли.

Термоядерной мощности D-T обычно приписывают несколько недостатков:

1. Он производит значительное количество нейтронов, что приводит к нейтронная активация материалов реактора.^[73]:242
2. Только около 20% выработки энергии термоядерного синтеза появляется в виде заряженных частиц, а остальная часть уносится нейтронами, что ограничивает возможности применения методов прямого преобразования энергии.^[74]
3. Это требует обращения с радиоизотопом трития. Как и водород, тритий трудно удерживать, и он может вытечь из реакторов в некотором количестве. По некоторым оценкам, это может означать довольно большой выброс радиоактивности в окружающую среду.^[75]

В нейтронный поток Ожидается, что коммерческий термоядерный реактор D-T примерно в 100 раз превосходит современные энергетические реакторы деления, что создает проблемы для материальный дизайн. После серии тестов D-T в JET вакуумный сосуд был достаточно радиоактивным, поэтому в течение года после испытаний требовалось удаленное обращение.^[76]

В производственных условиях нейтроны будут использоваться для реакции с литий в контексте бланкета родительского стада, содержащего литиевую керамическую гальку или жидкий литий, чтобы производить больше трития. Это также вкладывает энергию нейтронов в литий, которая затем передается для производства электроэнергии. Реакция поглощения нейтронов литием защищает внешние части реактора от потока нейтронов. В более новых конструкциях, в частности, в усовершенствованном токамаке, литий внутри активной зоны реактора является ключевым элементом конструкции. Плазма напрямую взаимодействует с литием, предотвращая проблему, известную как «переработка». Преимущество этой конструкции было продемонстрировано в Литиевый токамак Эксперимент.

Дейтерий

Сечение синтеза дейтерия (в квадратных метрах) при различных энергиях столкновения ионов.

Это вторая по легкости реакция синтеза, в которой происходит слияние двух ядер дейтерия. У реакции есть две ветви, которые происходят с почти равной вероятностью:

Д + Д	→ Т	+ 1ЧАС
Д + Д	→ 3Он	+ п

Эта реакция также часто встречается в исследованиях. Оптимальная энергия для инициирования этой реакции составляет 15 кэВ, что лишь немного выше оптимума для реакции D-T. Первая ветвь не производит нейтронов, но производит тритий, так что реактор D-D не будет полностью свободным от трития, даже если он не требует ввода трития или лития. Если не удастся быстро удалить тритоны, большая часть произведенного трития будет сожжена перед выходом из реактора, что уменьшит обращение с тритоном, но приведет к образованию большего количества нейтронов, некоторые из которых очень энергичны. Нейтрон из второй ветви имеет энергию всего 2,45 МэВ (0,393 пДж), тогда как нейтрон из реакции D-T имеет энергию 14,1 МэВ (2,26 пДж), что приводит к более широкому диапазону образования изотопов и материальному ущербу. Когда тритоны удаляются быстро, позволяя ³Он реагирует, топливный цикл называется «синтез с подавлением трития».^[77] Удаленный тритий распадается на ³Он с периодом полураспада 12,5 года. Перерабатывая ³Он образуется в результате распада трития обратно в термоядерный реактор, термоядерный реактор не требует материалов, стойких к быстрым нейтронам с энергией 14,1 МэВ (2,26 пДж).

Предполагая полное выгорание трития, снижение доли термоядерной энергии, переносимой нейтронами, составило бы всего около 18%, так что основное преимущество топливного цикла D-D состоит в том, что не потребуется воспроизводство трития. Другими преимуществами являются независимость от литиевых ресурсов и несколько более мягкий нейтронный спектр. Недостатком D-D по сравнению с D-T является то, что время удержания энергии (при заданном давлении) должно быть в 30 раз больше, а вырабатываемая мощность (при заданном давлении и объеме) будет в 68 раз меньше.^{[нужна цитата ]}

Предполагая полное удаление трития и переработку ³Он, только 6% термоядерной энергии переносится нейтронами. D-D-синтез с подавлением трития требует удержания энергии в 10 раз дольше, чем D-T, и температуры плазмы в два раза выше.^[78]

Ученые реактора MAST во Франции предполагают, что после начала реакции с тритием дейтериевым топливом будет легче поддерживать реакцию.

Дейтерий, гелий-3

Подход второго поколения к управляемой термоядерной мощности предполагает сочетание гелий-3 (³Он) и дейтерий (²ЧАС):

D + 3Он

→ 4Он

+ 1ЧАС

В результате этой реакции образуется ядро ​​гелия-4 (⁴Он) и протон высокой энергии. Как и в случае с р-¹¹B аневтронный синтез топливного цикла, большая часть энергии реакции выделяется в виде заряженных частиц, что снижает активация корпуса реактора и потенциально позволяет более эффективно собирать энергию (с помощью любой из нескольких спекулятивных технологий).^[79] На практике побочные реакции D-D производят значительное количество нейтронов, что приводит к образованию p-¹¹B - предпочтительный цикл для анейтронного слияния.^[79]

Протон, бор-11

Как проблемы материаловедения, так и проблемы нераспространения значительно уменьшатся, если аневтронный синтез может быть достигнут. Теоретически наиболее реактивным a-нейтронным термоядерным топливом является ³Он. Однако получение разумного количества ³Ему потребуются крупномасштабные операции по добыче полезных ископаемых на Луне или в атмосфере Урана или Сатурна, что вызовет другие, весьма значительные технические трудности. Следовательно, наиболее перспективным кандидатом в топливо для такого синтеза является синтез легко доступного водорода-1 (т.е. протон ) и бор. Их синтез не выделяет нейтронов, но производит энергичные заряженные альфа (гелиевые) частицы, энергия которых может быть напрямую преобразована в электрическую энергию:

р + ¹¹В → 3⁴Он

При разумных предположениях, побочные реакции приведут к тому, что нейтроны будут переносить только около 0,1% мощности термоядерного синтеза.^[80]:177-182 которое значит что рассеяние нейтронов не используется для передачи энергии и активация материала снижается в несколько тысяч раз. К сожалению, оптимальная температура для этой реакции 123 кэВ^[81] почти в десять раз выше, чем для реакций с чистым водородом, а удержание энергии должно быть в 500 раз лучше, чем требуется для реакции D-T. В дополнение удельная мощность в 2500 раз ниже, чем для Д-Т, хотя на единицу массы топлива это все же значительно выше, чем для реакторов деления.

Поскольку удерживающие свойства традиционных подходов к термоядерному синтезу, такие как синтез токамаков и лазерных гранул, незначительны, большинство предложений по аневтронному термоядерному синтезу основаны на радикально различных концепциях удержания, таких как Polywell и Фокус плотной плазмы. В 2013 году исследовательская группа под руководством Кристин Лабон из Политехнической школы в Палезо, Франция, сообщила о новом рекорде скорости синтеза для протонно-борного синтеза: примерно 80 миллионов термоядерных реакций в течение 1,5 наносекундного лазерного огня, что более чем в 100 раз больше, чем в предыдущем случае. борные эксперименты.^[82][83]

Выбор материала

Стабильность конструкционных материалов во всех ядерных реакторах является критической проблемой.^[84] Материалы, которые могут выдержать высокие температуры и нейтронную бомбардировку термоядерного реактора, считаются ключом к успеху разработки ядерных термоядерных энергетических систем.^[85][84] Основные вопросы - это условия, создаваемые плазмой, проблема нейтронной деградации поверхностей стенок и, таким образом, проблема состояния поверхности плазменных стенок.^[86][87] Кроме того, снижение проницаемости для водорода считается решающим фактором для рециркуляции водорода.^[88] и контролировать запасы трития.^[89] Материалы с самой низкой объемной растворимостью водорода и коэффициентом диффузии являются оптимальными кандидатами в качестве стабильных барьеров проницаемости. Помимо нескольких конкретных чистых металлов, таких как вольфрам и бериллий, были исследованы карбиды, плотные оксиды и нитриды. Исследования показали, что методы нанесения покрытия для создания хорошо приклеиваемых и идеальных барьеров не менее важны для выбора материала. Наиболее привлекательными являются методы, в которых рекламный слой формируется только путем окисления. В альтернативных методах используются определенные газовые среды с сильными магнитными и электрическими полями. Оценка достигнутых барьерных характеристик представляет собой дополнительную проблему. Классический метод определения скорости газопроницаемости мембран с покрытием продолжает оставаться наиболее надежным вариантом для определения эффективности барьера проникновения водорода (HPB).^[89]

Соображения по удержанию плазмы

Даже в небольших масштабах производства плазмы материал защитного устройства будет подвергаться интенсивному взрыву вещества и энергии. Конструкции по удержанию плазмы должны учитывать:

• Цикл нагрева и охлаждения до 10 МВт / м² тепловая нагрузка.
• Нейтронное излучение, что со временем приводит к нейтронная активация и охрупчивание.
• Ионы высоких энергий, уходящие от десятков до сотен электронвольт.
• Альфа-частицы оставив миллионы электронвольт.
• Электроны уходят с высокой энергией.
• Световое излучение (ИК, видимое, УФ, рентгеновское).

В зависимости от подхода эти эффекты могут быть выше или ниже типичных. деление реакторы, подобные реактор с водой под давлением (PWR).^[90] По одной оценке, радиация в 100 раз больше, чем у типичного PWR.^{[нужна цитата ]} Необходимо выбрать или разработать материалы, которые могут выдерживать эти основные условия. Однако в зависимости от подхода могут быть другие соображения, такие как электрическая проводимость, магнитная проницаемость, и механическая прочность. Также существует потребность в материалах, первичные компоненты и примеси которых не приводят к образованию долгоживущих радиоактивных отходов.^[84]

Долговечность состояния плазменной поверхности

Ожидается, что при длительном использовании каждый атом в стенке будет поражен нейтроном и смещен примерно сто раз, прежде чем материал будет заменен. Нейтроны высоких энергий будут производить водород и гелий посредством различных ядерных реакций, которые имеют тенденцию образовывать пузыри на границах зерен и приводить к набуханию, образованию пузырей или охрупчиванию.^[90]

Подбор материалов

Можно выбрать либо низко-Z материал, такой как графит или бериллий, или высокийZ материал, обычно вольфрам с участием молибден как второй вариант.^[89] Также было предложено использование жидких металлов (лития, галлия, олова), например, путем впрыскивания струй толщиной 1–5 мм, текущих со скоростью 10 м / с на твердые подложки.^{[нужна цитата ]}

Если используется графит, большая скорость эрозии из-за физических и химических распыление будет много метров в год, поэтому нужно полагаться на повторное осаждение распыленного материала. Место повторного осаждения не будет точно совпадать с местом распыления, поэтому скорость эрозии может быть недопустимой. Еще более серьезной проблемой является совместное осаждение трития с повторно нанесенным графитом. Запасы трития в слоях графита и пыли в реакторе могут быстро увеличиться до многих килограммов, что представляет собой бесполезную трату ресурсов и серьезную радиологическую опасность в случае аварии. Сообщество термоядерного синтеза, по-видимому, единодушно считает, что графит, хотя и является очень привлекательным материалом для экспериментов по термоядерному синтезу, не может быть основным. плазменный материал (PFM) в промышленном реакторе.^[84]

Скорость распыления вольфрама ионами плазменного топлива на порядки меньше, чем у углерода, а тритий гораздо меньше включается в переосажденный вольфрам, что делает этот выбор более привлекательным. С другой стороны, примеси вольфрама в плазме гораздо более разрушительны, чем примеси углерода, и самораспыление вольфрама может быть высоким, поэтому необходимо будет убедиться, что плазма, контактирующая с вольфрамом, не слишком горячая (несколько десятки эВ, а не сотни эВ). Вольфрам также имеет недостатки с точки зрения вихревых токов и плавления при аномальных явлениях, а также некоторые радиологические проблемы.^[84]

Безопасность и окружающая среда

Возможность аварии

в отличие ядерное деление термоядерный синтез требует чрезвычайно точных и контролируемых параметров температуры, давления и магнитного поля для получения любой полезной энергии. Если реактор будет поврежден или потеряет хотя бы небольшую степень необходимого управления, реакции термоядерного синтеза и тепловыделение быстро прекратятся.^[91] Кроме того, термоядерные реакторы содержат лишь небольшое количество топлива, которого достаточно, чтобы «гореть» в течение минут или, в некоторых случаях, микросекунд. Если их не заправить активно, реакции быстро прекратятся. Таким образом, термоядерные реакторы считаются невосприимчивыми к катастрофическому расплавлению.^[92]

По тем же причинам в термоядерном реакторе не могут происходить побеги. В плазма сжигается в оптимальных условиях, и любое значительное изменение просто погасит реакцию. Процесс реакции настолько тонкий, что такой уровень безопасности является неотъемлемым. Хотя ожидается, что плазма на термоядерной электростанции будет иметь объем 1000 кубических метров (35000 куб футов) или более, плотность плазмы низкая и обычно содержит только несколько граммов используемого топлива.^[92] Если подача топлива закрыта, реакция прекращается в считанные секунды. Для сравнения, реактор деления обычно загружается топливом, достаточным на несколько месяцев или лет, и никакого дополнительного топлива для продолжения реакции не требуется. Именно это большое количество топлива приводит к возможности расплавления; ничего подобного не существует в термоядерном реакторе.^[93]

В магнитном подходе сильные поля создаются в катушках, которые механически удерживаются на месте структурой реактора. Отказ этой конструкции может ослабить это напряжение и позволить магниту «взорваться» наружу. Серьезность этого события будет аналогична любой другой промышленной аварии или аварии. МРТ гашение / взрыв машины и может быть эффективно остановлено с помощью здание содержания аналогичны тем, которые используются в существующих ядерных генераторах (деления). Инерционный подход с лазерным управлением, как правило, требует меньшего напряжения из-за увеличенного размера реакционной камеры. Хотя возможен отказ реакционной камеры, простое прекращение подачи топлива предотвратит любой вид катастрофического отказа.^[94]

В большинстве конструкций реакторов жидкий водород используется как в качестве теплоносителя, так и в качестве метода преобразования паразитных нейтронов из реакции в тритий, который возвращается в реактор в качестве топлива. Водород легко воспламеняется, и в случае пожара водород, хранящийся на месте, может сгореть и улетучиться. В этом случае содержащийся в водороде тритий будет выброшен в атмосферу, создавая радиационный риск. Расчеты показывают, что при величине около 1 кг (2,2 фунта) общее количество трития и других радиоактивных газов на типичной электростанции будет настолько мало, что они бы разбавились до юридически приемлемых пределов к тому времени, когда они дуют до станции. периметр ограждения.^[95]

Вероятность небольших промышленных аварий, включая локальный выброс радиоактивности и травмы персонала, оценивается как малая по сравнению с делением. Они будут включать случайные выбросы лития или трития или неправильное обращение с выведенными из эксплуатации радиоактивными компонентами самого реактора.^[94]

Магнитная закалка

Гашение - это ненормальное прекращение работы магнита, которое происходит, когда часть сверхпроводящей катушки входит в нормальный (резистивный ) штат. Это может происходить из-за того, что поле внутри магнита слишком велико, скорость изменения поля слишком велика (что приводит к вихревые токи и в результате обогрев в матрице поддержки меди), или комбинация из двух.

Реже дефект магнита может вызвать закалку. Когда это происходит, это конкретное место подвергается быстрой Джоулевое нагревание от огромного течения, которое поднимает температура окружающих регионов. Это также переводит эти области в нормальное состояние, что приводит к большему нагреву в цепной реакции. Весь магнит быстро приходит в норму (это может занять несколько секунд, в зависимости от размера сверхпроводящей катушки). Это сопровождается громким треском, поскольку энергия магнитного поля преобразуется в тепло, и быстрое выкипание криогенный жидкость. Резкое уменьшение тока может привести к выбросам индуктивного напряжения в киловольтах и ​​возникновению дуги. Необратимые повреждения магнита случаются редко, но компоненты могут быть повреждены локальным нагревом, высоким напряжением или большими механическими силами.

На практике магниты обычно имеют предохранительные устройства для остановки или ограничения тока при обнаружении начала гашения. Если большой магнит подвергается гашению, инертный пар, образованный испаряющейся криогенной жидкостью, может представлять собой значительную удушье опасность для операторов из-за вытеснения пригодного для дыхания воздуха.

Большой участок сверхпроводящих магнитов в ЦЕРН с Большой адронный коллайдер неожиданно закалили во время пуска в 2008 году, что потребовало замены ряда магнитов.^[96] Для предотвращения потенциально деструктивных тушений сверхпроводящие магниты, которые образуют LHC, снабжены нагревателями с быстрым линейным изменением, которые активируются, когда событие тушения обнаруживается сложной системой тушения. Поскольку дипольные поворотные магниты соединены последовательно, каждая силовая цепь включает в себя 154 отдельных магнита, и в случае возникновения гашения вся объединенная накопленная энергия этих магнитов должна быть немедленно сброшена. Эта энергия передается в свалки, которые представляют собой массивные блоки металла, которые нагреваются до нескольких сотен градусов Цельсия - из-за резистивного нагрева - за считанные секунды. Хотя это и нежелательно, гашение магнитом является «довольно обычным явлением» во время работы ускорителя частиц.^[97]

Сточные воды

Естественный продукт реакции синтеза - небольшое количество гелий, что совершенно безвредно для жизни. Больше беспокойства вызывает тритий, который, как и другие изотопы водорода, трудно удержать полностью. Во время нормальной работы некоторое количество трития будет постоянно выделяться.^[94]

Хотя тритий является летучим и биологически активным, риск для здоровья, связанный с выбросом, намного ниже, чем у большинства радиоактивных загрязнителей, из-за короткого периода полураспада трития (12,32 года) и очень низкой энергии распада (~ 14,95 кэВ), а также потому, что он не биоаккумулировать (вместо этого его выводят из тела в виде воды с биологический период полураспада от 7 до 14 дней).^[98] ИТЭР включает средства полного удержания трития.^[99]

Управление отходами

В общих чертах, термоядерные реакторы создают гораздо меньше радиоактивного материала, чем реакторы деления, материал, который они создают, менее опасен с биологической точки зрения, а радиоактивность «выгорает» в течение периода времени, который находится в пределах существующих инженерных возможностей для безопасного долгосрочного использования. хранение отходов. В определенных условиях, за исключением случая аневтронный синтез,^[100][101] большой поток нейтронов высоких энергий в реакторе делает конструкционные материалы радиоактивными. Радиоактивный инвентарь при останове может быть сопоставим с инвентаризацией реактора деления, но есть важные различия. Период полураспада радиоизотопы произведенных синтезом, как правило, меньше, чем от деления, так что запасы уменьшаются быстрее. В отличие от реакторов деления, отходы которых остаются радиоактивными в течение тысяч лет, большая часть радиоактивного материала в термоядерном реакторе будет самой активной зоной реактора, которая будет опасна примерно 50 лет, и низкоактивными отходами еще 100 лет.^[102] Хотя эти отходы будут значительно более радиоактивными в течение этих 50 лет, чем отходы деления, очень короткий период полураспада делает процесс очень привлекательным, так как обращение с отходами довольно простое. К 500 годам этот материал будет иметь такую ​​же радиотоксичность, как угольная зола.^[95]

Кроме того, выбор материалов, используемых в термоядерном реакторе, менее ограничен, чем в конструкции деления, где для их конкретных требований требуется много материалов. нейтронные сечения. Это позволяет спроектировать термоядерный реактор с использованием материалов, специально выбранных для «низкой активации», материалов, которые нелегко становятся радиоактивными. Ванадий, например, станет намного менее радиоактивным, чем нержавеющая сталь.^[103] Углеродное волокно материалы также имеют низкую активацию, а также являются прочными и легкими и являются многообещающей областью исследований для лазерно-инерционных реакторов, где магнитное поле не требуется.^[104]

Ядерное распространение

Хотя в термоядерной энергии используется ядерная технология, совпадение с ядерным оружием будет ограниченным. Огромное количество тритий может производиться термоядерной электростанцией; тритий используется в триггере водородные бомбы и в современном усиленное оружие деления, но он также может быть получен при делении ядер. Энергичные нейтроны из термоядерного реактора могут быть использованы для создания оружейного качества. плутоний или уран для атомной бомбы (например, путем трансмутации U²³⁸ Пу²³⁹, или Th²³² к тебе²³³).

В исследовании, проведенном в 2011 году, оценивались риски трех сценариев:^[105]

• Использование в маломасштабной термоядерной станции: В результате гораздо более высокого энергопотребления, тепловыделения и более узнаваемого дизайна по сравнению с обогащением. газовые центрифуги этот выбор было бы намного легче обнаружить и, следовательно, неправдоподобным.^[105]
• Модификации для производства оружейных материалов на коммерческом объекте: Производственный потенциал значителен. Но никакие воспроизводящие или делящиеся вещества, необходимые для производства оружейных материалов, вообще не должны присутствовать в гражданской термоядерной системе. Если эти материалы не экранированы, их можно обнаружить по их характеристическому гамма-излучению. Базовый редизайн может быть обнаружен с помощью регулярных проверок проектной информации. В случае (технически более осуществимо) твердых модулей бланкета для родительского стада необходимо будет проверять входящие компоненты на наличие плодородного материала,^[105] в противном случае плутоний для нескольких видов оружия мог бы производиться каждый год.^[106]
• В приоритете быстрое производство оружейного материала независимо от секретности: Самый быстрый способ производить материал, пригодный для использования в оружии, был замечен в модификации предшествующей гражданской термоядерной электростанции. В отличие от некоторых атомных электростанций, во время гражданского использования нет материалов, совместимых с оружием. Даже без необходимости скрытых действий для запуска производства этой модификации все равно потребуется около 2 месяцев и, по крайней мере, еще одна неделя, чтобы произвести значительную сумму для производства оружия. Этого времени было сочтено достаточно, чтобы обнаружить военное применение и отреагировать дипломатическими или военными средствами. Чтобы остановить производство, было бы достаточно военного уничтожения неизбежных частей объекта, за исключением самого реактора. Это вместе с искробезопасностью термоядерной энергии будет нести лишь низкий риск радиоактивного загрязнения.^[105]

В другом исследовании делается вывод, что «[..] большие термоядерные реакторы - даже если они не предназначены для воспроизводства делящегося материала - могут легко производить несколько сотен кг плутония в год с высоким качеством оружия и очень низкими требованиями к исходным материалам». Было подчеркнуто, что реализация функций внутренней устойчивости к распространению может быть возможна только на этом этапе исследований и разработок.^[106] Теоретические и вычислительные инструменты, необходимые для проектирования водородной бомбы, тесно связаны с инструментами, необходимыми для термоядерный синтез с инерционным удержанием, но имеют очень мало общего с более научно разработанными термоядерный синтез с магнитным удержанием.

Энергетический ресурс

Крупномасштабные реакторы, использующие нейтронное топливо (например, ИТЭР ) и производство тепловой энергии (на основе турбин) наиболее сопоставимо с мощность деления с инженерно-экономической точки зрения. Как ядерные, так и термоядерные электростанции включают относительно компактный источник тепла, питающий обычную электростанцию ​​на основе паровой турбины, при этом вырабатывая достаточно нейтронного излучения, активация материалов станции проблематично. Основное отличие состоит в том, что термоядерная энергия не производит высокоактивных радиоактивных отходов (хотя активированные материалы станции по-прежнему необходимо утилизировать). Есть некоторые идеи электростанций, которые могут значительно снизить стоимость или размер таких станций; однако исследования в этих областях не так развиты, как в токамаки.^[107][108]

Fusion power обычно предлагает использовать дейтерий, изотоп водорода в качестве топлива и во многих современных конструкциях также используют литий. Предполагая, что выход энергии термоядерного синтеза равен глобальной выходной мощности 1995 г., составляющей около 100 E Дж / год (= 1 × 10²⁰ Дж / год) и что в будущем эта цифра не увеличится, что маловероятно, тогда известных текущих запасов лития хватило бы на 3000 лет. Литий из морской воды просуществует 60 миллионов лет, а более сложный процесс синтеза с использованием только дейтерия будет иметь топливо на 150 миллиардов лет.^[109] Чтобы представить это в контексте, 150 миллиардов лет почти в 30 раз превышают оставшуюся продолжительность жизни Солнца.^[110] и более чем в 10 раз превышает предполагаемый возраст Вселенной.

Экономика

Хотя термоядерная энергия все еще находится на ранней стадии разработки, значительные суммы вкладывались и продолжают вкладываться в исследования. В ЕС почти 10 миллиардов евро было потрачено на исследования термоядерного синтеза до конца 1990-х гг.,^[111] и ИТЭР Один только реактор представляет собой инвестиции в размере более двадцати миллиардов долларов и, возможно, еще десятки миллиардов долларов, включая взносы натурой.^[112][113] В 2002 году было подсчитано, что до момента возможного внедрения производства электроэнергии с помощью ядерного синтеза, НИОКР потребуют дальнейшего продвижения на общую сумму около 60–80 миллиардов евро в течение периода 50 лет или около того (из которых 20–30 миллиардов евро изнутри ЕС).^[114] В рамках Европейского Союза Шестая рамочная программа, получены исследования ядерного синтеза 750 миллионов евро (помимо финансирования ИТЭР) по сравнению с 810 миллионов евро для исследований в области устойчивой энергетики,^[115] ставит исследования в области термоядерной энергии намного выше, чем у любой другой конкурирующей технологии.

Размер инвестиций и временные рамки ожидаемых результатов означают, что до недавнего времени исследования термоядерного синтеза почти полностью финансировались государством. Однако за последние несколько лет ряд начинающих компаний, работающих в области термоядерной энергетики, привлек более 1,5 миллиарда долларов, в том числе среди инвесторов. Джефф Безос, Питер Тиль и Билл Гейтс, а также институциональных инвесторов, включая Юридические и общие, и совсем недавно энергетические компании, такие как Эквинор, Eni, Шеврон,^[116] и китайцы Группа ENN.^[117] В сентябре 2019 года агентство Bloomberg обнаружило, что более двадцати частных компаний работают над термоядерной энергетикой.^[118] как и в США Ассоциация индустрии фьюжн.^[119][120]

Первоначальные сценарии, разработанные в 2000-х и начале 2010-х годов, обсуждали влияние коммерциализации термоядерной энергии на будущее человеческой цивилизации.^[121] Руководствуясь историей появления ядерных реакторов деления, они увидели ИТЭР, а затем ДЕМО предполагают запуск первого коммерческого термоядерного термоядерного реактора примерно в 2050 году и изображают быстрое освоение термоядерной энергии, начиная с середины этого века.^[121] Однако экономические препятствия на пути развития традиционной термоядерной энергии на базе токамаков традиционно считались огромными, поскольку основное внимание уделялось привлечению достаточных инвестиций для финансирования итераций прототипов реакторов токамаков.^[122]

Более поздние сценарии видят инновации в вычислительной технике и материаловедении, ведущие к возможности разработки национальных или совместных затрат «экспериментальных установок для термоядерного синтеза» с использованием разнообразных технологических путей,^{[107][108][123]} такие как Великобритания Сферический токамак для производства энергии, в период 2030-2040 гг.^[118][119] Это предполагает, что вскоре после этого технология компактных реакторов достигнет потенциала коммерциализации за счет использования парка электростанций.^[124] Были представлены сценарии воздействия коммерциализации термоядерной энергии на будущее человеческой цивилизации.^[121] ИТЭР и позже ДЕМО предполагается ввести в действие первый коммерческий ядерный термоядерный реактор к 2050 году. Используя это в качестве отправной точки и историю распространения ядерных реакторов деления в качестве ориентира, сценарий изображает быстрое потребление энергии ядерного синтеза, начиная с середины этого века.^[121]Таким образом, возникли вопросы регулятора. В сентябре 2020 года США Национальная Академия Наук провела консультации с частными термоядерными компаниями, чтобы определить, как поддержать развитие национального экспериментального завода по термоядерному синтезу. В следующем месяце Министерство энергетики США, Комиссия по ядерному регулированию и Ассоциация индустрии термоядерного синтеза выступила одним из организаторов общественного форума для подготовки нормативно-правовой базы для коммерческого слияния.^[116]

Геополитика

Учитывая огромный потенциал термоядерного синтеза в преобразовании мира энергетика и совсем недавно для управления изменением климата,^[120] Ядерная наука и разработка ИТЭР традиционно рассматривались как неотъемлемая часть долгосрочного миростроительства. научная дипломатия, особенно во время Холодная война и периоды сразу после окончания холодной войны.^[125][99] Однако последние технологические разработки,^[126] появление в частном секторе термоядерной промышленности и, таким образом, возможность создания прототипов коммерческих термоядерных реакторов в течение следующих двух десятилетий вызвали растущую озабоченность, связанную с интеллектуальной собственностью в области термоядерного синтеза, международным регулирующим управлением и глобальным лидерством;^[120] справедливое глобальное социально-экономическое развитие термоядерной энергии и потенциал для использования термоядерной энергии в качестве оружия с серьезными последствиями для геополитической стабильности.^[117][127]

События сентября и октября 2020 года привели к тому, что термоядерный синтез был описан как «новая космическая гонка». 24 сентября Палата представителей Соединенных Штатов одобрила программу исследований и коммерциализации термоядерной энергии в Законе о рабочих местах и ​​инновациях в области чистой экономики (H.R.4477). Раздел исследований в области термоядерной энергии включает основанную на вехах программу государственно-частного партнерства с разделением затрат для частного термоядерного синтеза, которая была специально создана по образцу НАСА программа COTS, запустившая коммерческий космическая промышленность.^[116]

Преимущества

Термоядерная энергия обеспечит больше энергии для данного веса топлива, чем любой топливопотребляющий источник энергии, используемый в настоящее время.^[128] и само топливо (в первую очередь дейтерий ) в большом количестве присутствует в океане Земли: примерно 1 из 6500 атомов водорода в морской воде - это дейтерий.^[129] Хотя это может показаться небольшой долей (около 0,015%), поскольку реакции ядерного синтеза гораздо более энергичны, чем химическое горение, а морская вода более доступна и более многочисленна, чем ископаемое топливо, синтез потенциально может обеспечить мировые потребности в энергии на миллионы лет. .^[130][131]

Сила термоядерного синтеза может использоваться в межзвездное пространство где солнечная энергия недоступна.^[132][133]

История

Раннее исследование

Исследования ядерного синтеза начались в начале 20 века. В 1920 году британский физик Фрэнсис Уильям Астон обнаружил, что общая масса, эквивалентная четырем атомы водорода тяжелее общей массы одного атом гелия (He-4 ), который подразумевал, что чистая энергия может быть высвобождена путем объединения атомов водорода вместе с образованием гелия, и давал первые намеки на механизм, с помощью которого звезды могут производить энергию в измеряемых количествах. В 1920-е годы Артур Стэнли Эддингтон стал основным сторонником протон-протонная цепная реакция (Реакция PP) в качестве основной системы, запускающей солнце.^[125]

Нейтроны от термоядерного синтеза были впервые обнаружены сотрудниками Эрнест Резерфорд 'в Кембриджский университет, в 1933 году.^[134] Эксперимент разработан Марк Олифант и включал ускорение протонов к цели ^[135] при энергиях до 600 000 электрон-вольт. В 1933 году Кавендишская лаборатория получила подарок от американского физический химик Гилберт Н. Льюис из нескольких капель тяжелая вода. Ускоритель использовался для стрельбы тяжелый водород ядра дейтроны по различным целям. Работая с Резерфордом и другими, Олифант открыл ядра Гелий-3 (гелионы) и тритий (тритоны).^{[136][137][138][139]}

Теория была проверена Ганс Бете в 1939 г. показав, что бета-распад и квантовое туннелирование в Ядро Солнца может превратить один из протонов в нейтрон и тем самым производя дейтерий а не дипротон. Затем дейтерий будет плавиться посредством других реакций, чтобы еще больше увеличить выход энергии. За эту работу Бете выиграла Нобелевская премия по физике.^[125]

Первый патент на термоядерный реактор был зарегистрирован в 1946 году.^[140] посредством Управление по атомной энергии Соединенного Королевства. Изобретатели были Сэр Джордж Пэджет Томсон и Моисей Блэкман. Это было первое подробное изучение Z-защемление концепция. Начиная с 1947 года две британские группы провели небольшие эксперименты, основанные на этой концепции, и начали проводить серию все более крупных экспериментов.^[125]

Первые термоядерные устройства

Первое устройство, созданное руками человека, зажигание был детонация этого термоядерного устройства под кодовым названием Айви Майк.

Раннее фото плазмы внутри пинч-машины (Имперский колледж 1950/1951)

Первым успешным термоядерным аппаратом, созданным руками человека, был усиленное оружие деления испытан в 1951 г. в Элемент теплицы тестовое задание. За этим последовало настоящее термоядерное оружие в 1952 году. Айви Майк, и первые практические примеры в 1954 г. Замок Браво. Это был неконтролируемый синтез. В этих устройствах энергия, выделяемая при взрыве деления, используется для сжатия и нагрева термоядерного топлива, начиная реакцию термоядерного синтеза. Релизы Fusion нейтроны. Эти нейтроны попадает в окружающее топливо для деления, заставляя атомы распадаться на части намного быстрее, чем обычные процессы деления - почти мгновенно по сравнению. Это увеличивает эффективность бомб: обычное оружие деления разрывается на части прежде, чем будет использовано все топливо; Оружие синтеза / деления не имеет этого практического верхнего предела.

В 1949 году немец-эмигрант, Рональд Рихтер предложил Huemul Project в Аргентине, объявив о положительных результатах в 1951 году. Они оказались фальшивыми, но вызвали значительный интерес к концепции в целом. В частности, это побудило Лайман Спитцер чтобы начать рассмотрение способов решения некоторых из наиболее очевидных проблем, связанных с удержанием горячей плазмы, и, не зная об усилиях z-пинча, он разработал новое решение проблемы, известное как стелларатор. Спитцер подал заявку в США Комиссия по атомной энергии на финансирование создания тестового устройства. В течение этого периода, Джеймс Л. Так который работал с британскими командами над z-pinch, представлял эту концепцию своим новым коллегам на Лос-Аламосская национальная лаборатория (ЛАНЛ). Когда он услышал о предложениях Спитцера о финансировании, он подал заявку на создание собственной машины, Возможно, Атрон.^[125]

Идея Спитцера получила финансирование, и он начал работу над стелларатором под кодовым названием Project Matterhorn. Его работа привела к созданию Принстонская лаборатория физики плазмы. Так вернулся в LANL и организовал местное финансирование для создания своей машины. К этому времени, однако, стало ясно, что все перехватывающие машины страдают от одних и тех же проблем, связанных с нестабильностью, и прогресс остановился. В 1953 году Так и другие предложили ряд решений проблем устойчивости. Это привело к разработке второй серии зажимных машин под руководством Великобритании. ZETA и Скипетр устройств.^[125]

Спитцер планировал агрессивный проект разработки четырех машин: A, B, C и D. A и B были небольшими исследовательскими устройствами, C - прототипом силовой машины, а D - прототипом коммерческого устройства. . А работал без проблем, но даже к моменту использования В было ясно, что стелларатор также страдает от нестабильности и утечки плазмы. Прогресс по C замедлился, поскольку были предприняты попытки исправить эти проблемы.^[141][142]

В 1954 г. Льюис Штраус, затем председатель Комиссии по атомной энергии США (US AEC, предшественник США Комиссия по ядерному регулированию и Министерство энергетики США ) говорил об электричестве в будущем "слишком дешево для измерения ".^[143] Штраус, скорее всего, имел в виду синтез водорода.^[144] - который тайно разрабатывался как часть Проект Шервуд в то время, но заявление Штрауса было истолковано как обещание очень дешевой энергии от ядерного деления. Сама американская AEC за несколько месяцев до этого представила Конгрессу США гораздо более реалистичные показания относительно ядерного деления, прогнозируя, что «затраты могут быть снижены ... [до] ... примерно такими же, как стоимость электроэнергии из обычных источников. .. "^[145]

К середине 1950-х годов стало ясно, что простые теоретические инструменты, используемые для расчета производительности всех термоядерных машин, просто не предсказывают их фактическое поведение. Машины неизменно истекали своей плазмой из своей области удержания со скоростью, намного превышающей прогнозируемую. В 1954 г. Эдвард Теллер провел собрание исследователей термоядерного синтеза в Princeton Gun Club, недалеко от проекта Matterhorn (ныне известного как Проект Шервуд ) основания. Теллер начал с того, что указал на проблемы, с которыми сталкиваются все, и предположил, что любая система, в которой плазма ограничена вогнутыми полями, обречена на неудачу. Присутствующие помнят, как он говорил что-то о том, что поля были похожи на резиновые ленты, и они пытались вернуться к прямой конфигурации всякий раз, когда мощность увеличивалась, выбрасывая плазму. Далее он сказал, что кажется, что единственный способ удержать плазму в стабильной конфигурации - это использовать выпуклые поля, конфигурацию «каспа».^[146]:118

Когда встреча завершилась, большинство исследователей быстро подготовили документы, в которых говорилось, почему опасения Теллера не относились к их конкретному устройству. Пинч-машины вообще не использовали магнитные поля таким образом, а у зеркала и стелларатора, казалось, были разные выходы. Вскоре за этим последовала статья Мартин Дэвид Крускал и Мартин Шварцшильд Однако при обсуждении пережимных машин, которые продемонстрировали нестабильность этих устройств, была заложена их конструкция.^[146]:118

Самым большим «классическим» зажимным устройством был ZETA, включая все эти предлагаемые усовершенствования, начавшие работу в Великобритании в 1957 году. В начале 1958 года, Джон Кокрофт объявили, что слияние было достигнуто в ZETA, объявление, которое сделало заголовки во всем мире. Когда физики в США выразили озабоченность по поводу претензий, они сначала были отклонены. Американские эксперименты вскоре продемонстрировали те же нейтроны, хотя измерения температуры показали, что они не могут быть результатом реакций синтеза. Позже было продемонстрировано, что нейтроны, наблюдаемые в Великобритании, принадлежат различным версиям тех же процессов нестабильности, которые преследовали более ранние машины. Кокрофт был вынужден отказаться от претензий на термоядерный синтез, и все это поле было испорчено годами. ZETA прекратила свои эксперименты в 1968 году.^[125]

Первый эксперимент по достижению контролируемого термоядерный синтез было выполнено с использованием Сциллы I на Лос-Аламосская национальная лаборатория в 1958 г.^[27] Сцилла я был θ-пинч машина, с цилиндром, полным дейтерия. Электрический ток обрушился на стенки цилиндра. Ток создавал магнитные поля, которые ущипнутый плазма, поднимающая температуру до 15 миллионов градусов Цельсия, на достаточно долгое время, чтобы атомы слились и образовали нейтроны.^[26][27] Программа Sherwood спонсировала серию машин Scylla в Лос-Аламосе. Программа началась с 5 исследователей и 100000 долларов США, выделенных в январе 1952 года.^[147] К 1965 году на программу было потрачено в общей сложности 21 миллион долларов, а штат сотрудников никогда не превышал 65.^{[нужна цитата ]}

В 1950–1951 гг. I.E. Тамм и Сахаров А.Д. в Советский Союз, сначала обсудили токамак -подобный подход. Экспериментальные исследования этих конструкций начались в 1956 г. Курчатовский институт в Москва группой советских ученых во главе с Лев Арцимович. Токамак, по сути, сочетал маломощный пинч-устройство с маломощным простым стелларатором. Ключевым моментом было объединение полей таким образом, чтобы частицы вращались внутри реактора определенное количество раз, что сегодня известно как "коэффициент безопасности ". Комбинация этих полей значительно улучшила время удержания и плотность, что привело к огромным улучшениям по сравнению с существующими устройствами.^[125]

1960-е

Ключевой текст по физике плазмы был опубликован Лайман Спитцер в Принстоне в 1963 году.^[148] Спитцер взял законы идеального газа и адаптировал их к ионизированной плазме, разработав многие фундаментальные уравнения, используемые для моделирования плазмы.

Лазерный синтез был предложен в 1962 году учеными из Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора, вскоре после изобретения самого лазера в 1960 году. В то время лазеры были машинами малой мощности, но низкоуровневые исследования начались еще в 1965 году. Лазерный синтез, формально известный как термоядерный синтез с инерционным удержанием, включает взрывающийся цель с помощью лазер балки. Это можно сделать двумя способами: непрямой привод и прямой привод. В режиме прямого привода лазер взрывает топливную таблетку. При непрямом возбуждении лазеры взрывают структуру вокруг топлива. Это делает рентгеновские лучи которые выжимают топливо. Оба метода сжимают топливо, так что может происходить синтез.

На 1964 Всемирная выставка, публике была представлена ​​первая демонстрация ядерного синтеза.^[149] Это был тета-пинч от General Electric. Это было похоже на машину Scylla, разработанную ранее в Лос-Аламосе.

Затем магнитное зеркало был впервые опубликован в 1967 г. Ричард Ф. Пост и многие другие в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса.^[150] Зеркало состояло из двух больших магнитов, расположенных так, чтобы внутри них были сильные поля, и более слабое, но связанное поле между ними. Плазма, попадающая в область между двумя магнитами, "отскакивает" от более сильных полей в середине.

В Сахаров А.Д. Группа построила первые токамаки, наиболее успешными из которых были Т-3 и его более крупный вариант Т-4. Т-4 прошел испытания в 1968 г. в г. Новосибирск, производя первую в мире квазистационарную реакцию синтеза.^[151]:90 Когда об этом было впервые объявлено, международное сообщество было настроено весьма скептически. Однако британскую команду пригласили посмотреть Т-3, и после тщательного измерения они опубликовали результаты, которые подтвердили советские утверждения. Последовал всплеск активности, поскольку многие запланированные устройства были заброшены, а вместо них были введены новые токамаки - стелларатор модели C, строившийся в то время после многих переделок, был быстро преобразован в симметричный токамак.^[125]

В своей работе с электронными лампами Фило Фарнсворт наблюдал, что электрический заряд будет накапливаться в областях трубки. Сегодня этот эффект известен как Эффект мультипактора.^[152] Фарнсворт рассуждал, что если ионы будут достаточно высоки, они могут столкнуться и слиться. В 1962 году он подал патент на конструкцию, в которой использовалась положительная внутренняя клетка для концентрации плазмы с целью достижения ядерного синтеза.^[153] В течение этого времени, Роберт Л. Хирш присоединился к лаборатории телевидения Фарнсворта и начал работу над тем, что стало фузором. Хирш запатентовал дизайн в 1966 году.^[154] и опубликовал дизайн в 1967 году.^[155]

1970-е годы

Shiva Laser, 1977, самая большая лазерная система ICF, построенная в семидесятых годах.

Эксперимент с тандемным зеркалом (TMX) в 1979 году

В 1972 году Джон Наколлс изложил идею зажигания.^[22] Это цепная реакция синтеза. Горячий гелий, полученный во время термоядерного синтеза, разогревает топливо и запускает новые реакции. Джон утверждал, что для зажигания потребуются лазеры мощностью около 1 кДж. Это оказалось неправильным. Статья Наколлса положила начало серьезным усилиям по развитию. В LLNL построено несколько лазерных систем. К ним относятся Аргус, то Циклоп, то Янус, то длинный путь, то Шива лазер, а Новая звезда в 1984 году. Это побудило Великобританию построить Центральная лазерная установка в 1976 г.^[156]

За это время были сделаны большие успехи в понимании системы токамаков.^[157] Ряд усовершенствований конструкции теперь является частью концепции "усовершенствованного токамака", который включает некруглую плазму, внутренние отклонители и ограничители, часто сверхпроводящие магниты, и работает в так называемом "H-режиме" островке повышенной стабильности. .^[158] Два других дизайна также стали достаточно хорошо изученными; компактный токамак имеет магниты внутри вакуумной камеры,^[159][160] в то время сферический токамак максимально уменьшает его поперечное сечение.^[161][162]

В 1974 г. исследование результатов ZETA продемонстрировало интересный побочный эффект; после завершения эксперимента плазма вступала в короткий период стабильности. Это привело к пинч с обращенным полем концепция, которая с тех пор претерпела определенное развитие. 1 мая 1974 г. компания KMS fusion (основана Кип Сигель ) обеспечивает первый в мире лазерно-индуцированный синтез дейтериево-тритиевой таблетки.^[163]

В середине 1970-х гг. Проект PACER, проведенная в Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL), изучала возможность создания термоядерной энергетической системы, которая будет включать взрывы небольших водородные бомбы (термоядерные бомбы) внутри подземной полости.^[164]:25 В качестве источника энергии эта система является единственной системой термоядерного питания, работоспособность которой может быть продемонстрирована с использованием существующих технологий. Однако для этого также потребуются большие и непрерывные поставки ядерных бомб, что делает экономику такой системы весьма сомнительной.

В 1976 году двухлучевой Лазер Аргус начал работать в Ливермор.^[165] В 1977 году 20-лучевая Шива лазер в Ливерморе, способный доставить в цель 10,2 килоджоулей инфракрасной энергии. При цене в 25 миллионов долларов и размерах, близких к футбольному полю, Шива был первым из мегалазеров.^[165] В том же году JET проект одобрен Европейская комиссия и сайт выбран.

1980

Магнитные зеркала страдали от торцевых потерь, что требовало высокой мощности, сложной магнитной конструкции, такой как изображенная здесь бейсбольная катушка.

Камера мишени Novette (металлический шар с радиально выступающими диагностическими приборами), которая была повторно использована из Шива проект и две недавно построенные лазерные цепи видны на заднем плане.

Имплозия термоядерного синтеза с инерционным удержанием Нова лазер в 80-е годы был ключевым двигателем развития термоядерного синтеза.

В результате пропаганды, холодной войны и Энергетический кризис 1970-х массивный магнитное зеркало Программа финансировалась федеральным правительством США в конце 1970-х - начале 1980-х годов. Эта программа привела к созданию серии больших магнитных зеркальных устройств, включая: 2X,^[166]:273 Бейсбол I, Бейсбол II, Эксперимент с тандемным зеркалом, модернизация эксперимента с тандемным зеркалом, Испытательная установка для зеркальной сварки, и MFTF-B. Эти машины были построены и испытаны в Ливерморе с конца 1960-х до середины 1980-х годов.^[167][168] Ряд учреждений сотрудничали на этих машинах, проводя эксперименты. К ним относятся Институт перспективных исследований и Университет Висконсина-Мэдисона. Последняя машина, Испытательная установка для зеркальной сварки стоимостью 372 миллиона долларов и на тот момент это был самый дорогой проект в истории Ливермора.^[64] Он открылся 21 февраля 1986 года и был незамедлительно закрыт. Причина была в том, чтобы сбалансировать федеральный бюджет Соединенных Штатов. Эта программа была поддержана администрацией Картера и раннего Рейгана. Эдвин Э. Кинтнер, капитан ВМС США, под Элвин Trivelpiece.^[169]

В области лазерного синтеза прогрессирует: в 1983 г. NOVETTE лазер было выполнено. В следующем декабре 1984 года десять лучей NOVA лазер было закончено. Пять лет спустя NOVA будет производить максимум 120 килоджоулей инфракрасного света за наносекундный импульс.^[170] Между тем, усилия были сосредоточены либо на быстрой доставке, либо на плавности луча. Оба пытались равномерно доставить энергию, чтобы взорвать цель. Одна из первых проблем заключалась в том, что свет в инфракрасный длина волны потеряла много энергии, прежде чем попасть в топливо. Прорывы были сделаны на Лаборатория лазерной энергетики на Университет Рочестера. Ученые из Рочестера использовали кристаллы с утроением частоты, чтобы преобразовать инфракрасные лазерные лучи в ультрафиолетовые. В 1985 г. Донна Стрикленд^[171] и Жерар Муру изобрел метод усиления лазерных импульсов путем «чирпирования». Этот метод преобразует одну длину волны в полный спектр. Затем система усиливает лазер на каждой длине волны, а затем преобразует луч в один цвет. Импульсное усиление щебета сыграло важную роль в создании Национального центра зажигания и системы Omega EP. Большинство исследований ICF было направлено на изучение оружия, потому что взрыв имеет отношение к ядерному оружию.^[172]

В течение этого времени Лос-Аламосская национальная лаборатория построил серию лазерных установок.^[173] Сюда входили Близнецы (двухлучевая система), Гелиос (восемь лучей), Антарес (24 луча) и Аврора (96 лучей).^[174][175] Программа завершилась в начале девяностых, ее стоимость составила порядка одного миллиарда долларов.^[173]

В 1987 году Акира Хасегава^[176] заметил, что в диполярном магнитном поле флуктуации имеют тенденцию сжимать плазму без потери энергии. Этот эффект был замечен в данных, взятых Вояджер 2, когда он столкнулся с Ураном. Это наблюдение станет основой для подхода к синтезу, известного как Левитирующий диполь.

В токамаках Тор Супра строился в середине восьмидесятых (с 1983 по 1988 год). Это был токамак встроенный Cadarache, Франция.^[177] В 1983 г. JET была завершена и получены первые плазмы. В 1985 году японский токамак, JT-60 было выполнено. В 1988 г. Т-15 достроен советский токамак. Это был первый промышленный термоядерный реактор (с гелиевым охлаждением). сверхпроводящий магниты для управления плазмой.^[178]

В 1989 году Понс и Флейшманн подали документы в Журнал электроаналитической химии заявив, что они наблюдали термоядерный синтез в устройстве при комнатной температуре, и раскрыли свою работу в пресс-релизе.^[179] Некоторые ученые сообщили об избыточном тепле, нейтронах, тритии, гелии и других ядерных эффектах в так называемых холодный синтез системы, которые какое-то время вызывали интерес как многообещающие. Надежды упали, когда были взвешены неудачи репликации, учитывая несколько причин, по которым холодный синтез маловероятен, открытие возможных источников экспериментальной ошибки и, наконец, открытие того, что Флейшманн и Понс фактически не обнаружили побочных продуктов ядерных реакций.^{[180][181][182][183]} К концу 1989 года большинство ученых считали заявления о холодном синтезе мертвыми,^[180] и холодный синтез впоследствии получил репутацию патологическая наука.^[184] Однако небольшое сообщество исследователей продолжает исследовать холодный синтез.^{[180][185][186][187][188]} утверждая, что копирует результаты Флейшмана и Понса, включая побочные продукты ядерных реакций.^[189][190] Утверждениям, связанным с холодным синтезом, в основном не верят.^[191] В 1989 г. большинство экспертной комиссии, организованной Министерство энергетики США (DOE) обнаружил, что доказательства открытия нового ядерного процесса неубедительны. Во втором обзоре Министерства энергетики, созванном в 2004 году для изучения новых исследований, были сделаны выводы, аналогичные первым.^{[192][193][194]}

В 1984 году Мартин Пэн из ORNL предложил^[195] альтернативное расположение катушек магнита, которое значительно снизит соотношение сторон, избегая при этом проблем с эрозией компактного токамака: Сферический токамак. Вместо того, чтобы соединять каждую катушку магнита отдельно, он предложил использовать один большой проводник в центре и соединять магниты полукольцами с этого проводника. То, что когда-то представляло собой серию отдельных колец, проходящих через отверстие в центре реактора, было уменьшено до единственной стойки, что позволило добиться соотношения сторон всего 1,2.^{[196]: B247[197]:225} Концепция ST, казалось, представляет собой огромный шаг вперед в дизайне токамаков. Однако это предлагалось в период, когда бюджеты на исследования в области термоядерного синтеза в США резко сокращались. ORNL были выделены средства на разработку подходящей центральной колонны, построенной из высокопрочного медного сплава под названием «Glidcop». Однако им не удалось получить финансирование для создания демонстрационной машины «STX». Не сумев построить ST в ORNL, Пэн начал всемирную попытку заинтересовать другие команды концепцией ST и построить испытательную машину. Один из способов сделать это быстро - преобразовать сферомак-машину в Сферический токамак макет.^[197]:225 Пропаганда Пэна также заинтересовала Дерек Робинсон, из Управление по атомной энергии Соединенного Королевства центр слияния в Culham. Робинсону удалось собрать команду и обеспечить финансирование порядка 100 000 фунтов стерлингов для создания экспериментальной машины, Токамак с малым плотным соотношением сторон, или СТАРТ. Некоторые части машины были переработаны из более ранних проектов, в то время как другие были взяты во временное пользование из других лабораторий, включая инжектор нейтрального луча 40 кэВ от ORNL. Строительство НАЧНИТЕ начался в 1990 году, был быстро собран и начал работу в январе 1991 года.^[196]:11

1990-е годы

Мокап позолоченного хольраума, предназначенный для использования в Национальный центр зажигания

В 1991 г. предварительный эксперимент с тритием на Совместный европейский тор в Англии осуществлен первый в мире управляемый выброс термоядерной энергии.^[198]

В 1992 году в журнале Physics Today Роберт МакКори опубликовал большую статью. Лаборатория лазерной энергетики выделяя текущее состояние ICF и выступая за создание национального центра зажигания.^[199] За этим последовала большая обзорная статья Джона Линдла в 1995 г.^[200] выступая за НИФ. В это время разрабатывался ряд подсистем ICF, включая изготовление мишеней, криогенные системы манипулирования, новые конструкции лазеров (особенно Лазер NIKE в NRL ) и улучшенную диагностику, такую ​​как анализаторы времени пролета и Томсоновское рассеяние. Эта работа была проделана в НОВАЯ ЗВЕЗДА лазерная система, General Atomics, Лазерный мегаджоуль и ГЕККО XII система в Японии. Благодаря этой работе и лоббированию таких групп, как партнеры по термоядерной энергии и Джон Сетиан из NRL, в конгрессе было проведено голосование, разрешившее финансирование проекта NIF в конце девяностых.

В начале девяностых годов теория и экспериментальные работы по фузоры и поливеллы был опубликован.^[201][202] В ответ Тодд Райдер на Массачусетский технологический институт разработаны общие модели этих устройств.^[203] Райдер утверждал, что все плазменные системы, находящиеся в термодинамическом равновесии, фундаментально ограничены. В 1995 году Уильям Невинс опубликовал критику^[204] утверждая, что частицы внутри фузоров и поливелл будут накапливаться угловой момент, вызывая деградацию плотного ядра.

В 1995 г. Университет Висконсина-Мэдисона построил большой фузор, известный как HOMER, который все еще работает.^[205] Между тем, доктор Джордж Х. Майли в Иллинойс, построил небольшой фузор, который производил нейтроны с использованием газообразного дейтерия.^[206][207] и открыл «звездный режим» работы фузора. В следующем году был проведен первый «Американо-японский семинар по IEC Fusion». В это время в Европе было разработано устройство IEC как коммерческий источник нейтронов компанией Даймлер-Крайслер и NSD Fusion.^[208][209]

В следующем году Z-машина была модернизирована и открыта для публики армией США в августе 1998 года в Scientific American.^[210] Ключевые атрибуты машины Z Sandia^[211] его 18 миллионов ампер и время разряда менее 100 наносекунды. Это генерирует магнитный импульс внутри большого масляного резервуара, который поражает множество вольфрам провода называется лайнер.^[212] Запуск Z-машины стал способом проверить условия очень высокой энергии и высокой температуры (2 миллиарда градусов).^[213] В 1996 г. Тор Супра создает плазму в течение двух минут с током почти 1 миллион ампер, неиндуктивно управляемым 2,3 МВт волны нижней гибридной частоты. Это 280 МДж введенной и извлеченной энергии. Такой результат стал возможен благодаря активно охлаждаемым компонентам, обращенным к плазме.^{[нужна цитата ]}

В 1997 году JET произвел пиковую мощность термоядерного синтеза 16,1 МВт (65% тепла выделяется в плазму).^[214]), с термоядерной мощностью более 10 МВт, выдерживаемой более 0,5 сек. Его преемник, Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР ), было официально объявлено как часть семистороннего консорциума (шесть стран и ЕС). ИТЭР предназначен для производства в десять раз большей мощности термоядерного синтеза, чем мощность, вложенная в плазма. ИТЭР в настоящее время строится в Cadarache, Франция.^[215]

В конце девяностых годов команда на Колумбийский университет и Массачусетский технологический институт разработал Левитирующий диполь,^[216] термоядерное устройство, которое состояло из сверхпроводящего электромагнита, плавающего в вакуумной камере в форме блюдца.^[217] Плазма закручивалась вокруг этого бублика и сливалась вдоль центральной оси.^[218]

2000-е

Начиная с 1999 года, все большее число любителей синтезируют атомы, используя самодельные фузоры, показано здесь.^{[219][220][221][222][223]}

В Мегаамперный сферический токамак начал свою деятельность в Великобритании в 1999 г.

В номере рецензируемого журнала от 8 марта 2002 г. Наука, Руси П. Талеярхан и коллеги из Национальная лаборатория Ок-Ридж (ORNL) сообщил, что эксперименты по акустической кавитации проводились с дейтерированный ацетон (C₃D₆О ) показал измерения тритий и нейтрон выход соответствует возникновению слияния.^[224] Позже Талеярхан был признан виновным в проступке,^[225] то Управление военно-морских исследований лишил его права на получение федерального финансирования на 28 месяцев,^[226] и его имя было внесено в «Список исключенных сторон».^[226]

«Быстрое зажигание»^[227][228] был разработан в конце девяностых годов и был частью толчка Лаборатория лазерной энергетики для построения системы Omega EP. Эта система была завершена в 2008 году. Быстрое зажигание показало такую ​​значительную экономию энергии, что ICF оказался полезным методом для производства энергии. Есть даже предложения построить экспериментальную установку, посвященную подходу быстрого зажигания, известную как HiPER.

В апреле 2005 г. команда из UCLA объявил^[229] он разработал способ получения термоядерного синтеза, используя машину, которая «помещается на лабораторном столе», используя танталат лития чтобы создать достаточно напряжения, чтобы разбить атомы дейтерия вместе. Однако этот процесс не генерирует полезную мощность (см. пироэлектрический синтез ). Такое устройство было бы полезно в тех же ролях, что и фузор.

В следующем году Китай ВОСТОК испытание реактора завершено.^[230] Это был первый токамак, в котором сверхпроводящие магниты использовались для генерации как тороидального, так и полоидального полей.

В начале 2000-х годов исследователи из LANL предположил, что колеблющаяся плазма может находиться в локальном термодинамическом равновесии. Это побудило POPS и Ловушка Пеннинга конструкции.^[231][232]

В настоящее время исследователи Массачусетский технологический институт заинтересовался фузоры для космического движения^[233] и питание космических аппаратов.^[234] В частности, исследователи разработали фузоры с несколькими внутренними клетками. Грег Пифер окончил Мэдисон и основал Phoenix Nuclear Labs, компания, которая разработала фузор в источник нейтронов для массового производства медицинских изотопов.^[235] Роберт Бюссар начал открыто говорить о поливелл в 2006 году.^[236] Он пытался вызвать интерес^[237] в исследовании, перед смертью. В 2008, Тейлор Уилсон добился дурной славы^[238][239] для достижения ядерного синтеза в 14 лет, с самодельным фузор.^{[240][241][242]}

В марте 2009 г. была установлена ​​высокоэнергетическая лазерная система. Национальный центр зажигания (NIF), расположенный по адресу Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора, вступил в строй.^[243]

В начале 2000-х годов было основано несколько частных термоядерных компаний, преследовавших инновационные подходы с заявленной целью разработки коммерчески жизнеспособных термоядерных электростанций.^[244] Скрытый стартап Три Альфа Энергия, основанная в 1998 году, приступила к изучению конфигурация с обратным полем подход.^[245][246] В 2002 году канадская компания General Fusion начали эксперименты по проверке концепции, основанные на гибридном магнито-инерционном подходе, названном Слияние намагниченной цели.^[245][244] Эти компании сейчас финансируются частными инвесторами, включая Джеффа Безоса (General Fusion) и Пола Аллена (Tri Alpha Energy).^[245] К концу десятилетия британская фьюжн-компания Токамак Энергия начал исследовать сферический токамак устройства; он использует повторное подключение, чтобы запустить токамак.^[247]

2010-е

Предварительные усилители Национального центра зажигания. В 2012 году NIF добился мощности выстрела в 500 тераватт.

Wendelstein7X в стадии строительства

Пример конструкции стелларатора: система катушек (синий) окружает плазму (желтый). Линия магнитного поля выделена зеленым цветом на желтой плазменной поверхности.

Исследования по синтезу активизировались в 2010-х годах как в государственном, так и в частном секторах; в течение десятилетия General Fusion разработала технологию плазменных инжекторов и Три Альфа Энергия сконструировал и эксплуатировал свой прибор С-2У.^[248] Fusion исследовали NIF и Французский Лазерный мегаджоуль. В 2010 году исследователи НИФ провели серию «настроечных» выстрелов для определения оптимальной конструкции мишени и параметров лазера для экспериментов по высокоэнергетическому воспламенению термоядерным топливом.^[249][250] Огневые испытания проводились 31 октября 2010 г. и 2 ноября 2010 г. В начале 2012 г. директор NIF Майк Данн ожидал, что к концу 2012 г. лазерная система будет генерировать термоядерный синтез с чистым приростом энергии.^[251] Однако этого не произошло до августа 2013 года. Учреждение сообщило, что их следующим шагом было улучшение системы, чтобы не допустить асимметричного или преждевременного разрушения хольраума.^[252]

Что касается анейтронного синтеза, в статье 2012 года было показано, что в фокусе плотной плазмы достигнута температура 1,8 миллиарда градусов Цельсия, достаточная для плавление бора, и что реакции слияния происходят в основном внутри плазмоида, что является необходимым условием для чистой энергии.^[253]

В апреле 2014 г. Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора закончил Лазерная энергия инерционного синтеза (LIFE) и перенаправили свои усилия на NIF.^[254] В августе 2014 г. Phoenix Nuclear Labs объявила о продаже высокопроизводительного нейтронного генератора, способного выдержать 5 × 10¹¹ дейтерий реакции слияния в секунду в течение 24-часового периода.^[255] В октябре 2014 г. Локхид Мартин с Скунс Работает объявил о разработке высокого бета термоядерный реактор, Компактный термоядерный реактор, намереваясь изготовить 100-мегаваттный прототип к 2017 году и начать регулярную эксплуатацию к 2022 году.^{[256][257][258]} Хотя первоначальная концепция заключалась в создании 20-тонного агрегата размером с контейнер, после реальных инженерных и научных исследований и компьютерного моделирования в 2018 году команда признала, что минимальный масштаб будет примерно в 100 раз больше и составит 2000 тонн.^[259]

В январе 2015 г. поливелл был представлен на Microsoft Research.^[260] В августе, Массачусетский технологический институт объявил о токамак он назвал Термоядерный реактор ARC, с помощью редкоземельный оксид бария-меди (REBCO) сверхпроводящие ленты для производства катушек с сильным магнитным полем, которые, как он утверждал, создают сравнимую напряженность магнитного поля в меньшей конфигурации, чем другие конструкции.^[261] В октябре исследователи из Институт физики плазмы Макса Планка завершено строительство самого большого стелларатор на сегодняшний день Вендельштейн 7-X. 10 декабря они успешно создали первую гелиевую плазму, а 3 февраля 2016 г. - первую водородную плазму устройства.^[262] С помощью плазменных разрядов продолжительностью до 30 минут Wendelstein 7-X пытается продемонстрировать важнейшее свойство стелларатора: непрерывную работу высокотемпературной водородной плазмы.

В 2017 году была введена в эксплуатацию плазменная установка пятого поколения Helion Energy, которая стремится достичь плотности плазмы 20 Тесла и температуры термоядерного синтеза. В 2018 году General Fusion разрабатывала демонстрационную систему в масштабе 70%, которая должна быть завершена примерно в 2023 году.^[259] Также в 2017 году термоядерный реактор ST40 в Великобритании, которым управляет Tokamak Energy, произвел «первую плазму».^[263] В следующем году энергетическая корпорация Eni объявила о вложении 50 миллионов долларов в недавно созданный Системы Содружества Фьюжн, чтобы попытаться коммерциализировать ARC технология с использованием испытательного реактора (SPARC ) в сотрудничестве с MIT.^{[264][265][266][267]}

Что касается национальных термоядерных электростанций, то в 2019 году Соединенное Королевство объявило о запланированных инвестициях в размере 200 миллионов фунтов стерлингов (248 миллионов долларов США) в разработку проекта термоядерной установки, названной Сферический токамак для производства энергии (ШАГ), к началу 2040-х гг.^[268][269]

2020-е

В 2020 году энергетический гигант Chevron Corporation объявила об инвестициях в стартап в области термоядерной энергетики Zap Energy. ^[270]

Записи

Рекорды Fusion были установлены рядом устройств. Некоторые следуют:

Сила термоядерного синтеза

Мгновенная мощность термоядерного синтеза может быть измерена в плазме D-T или рассчитана для плазмы, не образующей плавления, и экстраполирована на плазму D-T.JET сообщила о 16 МВт в 1997 году.^[271]

Давление плазмы

Давление плазмы зависит от плотности и температуры.

Alcator C-Mod достигла рекордных 1,77 атмосфер в 2005 году и 2,05 атм в 2016 году.^[272]

Критерий Лоусона

Что касается тройного продукта слияния, JT-60 сообщил 1.53x10²¹ кэВ.см⁻³.^[273][274]

Коэффициент усиления термоядерной энергии Q

Отношение энергии, полученной при синтезе, к количеству энергии, используемой для нагрева плазмы. Это соотношение игнорирует любые недостатки в системе нагрева плазмы.

• Рекорд 0,69 принадлежит Совместный европейский тор (JET) с 1997 года, когда в результате реакций синтеза плазма вырабатывала 16 МВт мощности по сравнению с 23 МВт при нагревании плазмы.^[271]

В некоторых экспериментах заявлено значение Q, как если бы они использовали D-T, на основе их результатов только для D.

Время выполнения

Сама по себе продолжительность работы не является полезным параметром, поскольку холодная плазма низкого давления легко удерживается или обслуживается в течение длительного времени.

В конфигурации с обратной полярностью поля, максимальное время работы составляет 300 мс, устанавливается Перевернутая конфигурация Princeton Field в августе 2016 г.^[275] Однако здесь не было никакого синтеза.

А стелларатор, Вендельштейн 7-X, держал плазму в течение 100 секунд.^[276][277]

Бета

Мощность термоядерного синтеза возрастает по мере увеличения удержания плазмы до четвертой степени.^[278] Следовательно, получение мощной плазменной ловушки имеет реальную ценность для термоядерной электростанции. Плазма имеет очень хороший электрическая проводимость. Это открывает возможность удержания плазмы с помощью магнитное поле, широко известный как магнитное удержание. Поле оказывает магнитное давление на плазму, которая удерживает ее. Широко используемой мерой магнитного захвата при термоядерном синтезе является бета-отношение (давление плазмы / давление магнитного поля):

${ displaystyle beta = { frac {p} {p_ {mag}}} = { frac {nk_ {B} T} {(B ^ {2} / 2 mu _ {0})}}}$^[279]:115

Это отношение приложенного извне поля к внутреннему давлению плазмы. Значение 1 - идеальный треппинг. Вот некоторые примеры бета-значений:

1. В НАЧНИТЕ машина: 0,32
2. В Левитирующий диполь эксперимент:^[280] 0.26
3. Сферомакс: ≈ 0,1,^[281] Максимум 0,2 на основе лимита Мерсье.^[282]
4. В DIII-D машина: 0,126^{[нужна цитата ]}
5. В Газодинамическая ловушка магнитное зеркало: 0,6^[283] в течение 5E − 3 секунд.^[284]
6. Продолжительный эксперимент с плазмой сферомака в национальных лабораториях Лос-Аламоса <0,05 в течение 4E-6 секунд.^[285]

Смотрите также

использованная литература

Список используемой литературы

• Клери, Дэниел (2014). Кусочек Солнца: поиски термоядерной энергии. The Overlook Press. ISBN  978-1-4683-1041-2.
• Кокберн, Стюарт; Эллиард, Дэвид (1981). Олифант, жизнь и времена сэра Марка Олифанта. Книги Аксиомы. ISBN  9780959416404.
• Дин, Стивен О. (5 января 2013 г.). В поисках первоисточника энергии: история программы термоядерной энергии в США. Springer Science & Business Media. ISBN  978-1-4614-6037-4.
• Хагельштейн, Питер Л.; МакКубре, Майкл; Нагель, Дэвид; Чабб, Талбот; Хекман, Рэндалл (2004). «Новые физические эффекты в дейтеридах металлов» (PDF). 11-е Ядерная наука о конденсированных средах. Вашингтон: Министерство энергетики США. 11: 23–59. Bibcode:2006смнс ... 11 ... 23ч. CiteSeerX  10.1.1.233.5518. Дои:10.1142/9789812774354_0003. ISBN  978-981-256-640-9. Архивировано из оригинал (PDF) на 2007-01-06. (рукопись)
• Хатчинсон, Алекс (8 января 2006 г.). «Год науки: физика». Discover Magazine (онлайн). ISSN  0274-7529. Получено 2008-06-20.
• Молина, Андрес де Бустос (29 августа 2013 г.). Кинетическое моделирование переноса ионов в термоядерных устройствах. Издательство Springer International. ISBN  978-3-319-00421-1.
• Нагамин, Канетада (2003). "Синтез, катализируемый мюонами". Введение в мюонную науку. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-03820-1.
• Пфальцнер, Сюзанна (2006). Введение в термоядерный синтез с инерционным удержанием. США: Тейлор и Фрэнсис. ISBN  978-0-7503-0701-7.

внешние ссылки

• Энергетическая база термоядерного синтеза
• Программа США по науке о термоядерной энергии