Диномак
Диномак - сферомак [1] Концепция термоядерного реактора, разработанная Вашингтонским университетом при финансовой поддержке Министерства энергетики США . [2] [3]
Диномак – это сферомак , который запускается и поддерживается за счет нагнетания магнитного потока . Он образуется, когда переменный ток используется для наведения магнитного потока в плазму . Электрический переменного тока трансформатор использует тот же индукционный процесс для создания вторичного тока. После формирования плазма внутри динамака релаксирует до самого низкого энергетического состояния, сохраняя при этом общий поток. [4] [5] Это называется состоянием Тейлора , и внутри машины формируется плазменная структура, называемая сферомаком . Диномак — это разновидность сферомака, который запускается и приводится в движение внешними магнитными полями.
Технические корни
[ редактировать ]
Плазма — это жидкость , проводящая электричество, что придает ей уникальное свойство: она может самоструктурироваться в вихревые кольца (например, объекты, подобные кольцам дыма ), которые включают в себя конфигурации с обращенным полем и сферомаки . Структурированная плазма имеет то преимущество, что она более горячая, плотная и более управляемая, что делает ее хорошим выбором для термоядерного реактора. [6] Но формирование этих плазменных структур было сложной задачей с тех пор, как первые структуры были обнаружены в 1959 году. [7] [8] [9] потому что они по своей сути нестабильны.
В 1974 году доктор Джон Б. Тейлор предположил, что сферомак может быть сформирован путем создания магнитного потока в петлевой плазме. Затем плазма естественным образом релаксировала бы в сферомак, также называемый состоянием Тейлора . [10] [5] Этот процесс работал, если плазма:
- Сохраняется полный магнитный поток
- Минимизировали общую энергию
Позже, в 1979 году, эти утверждения были проверены Маршаллом Розенблютом. [11] В 1974 году доктор Тейлор мог использовать только результаты пинч-устройства ZETA для подтверждения своих утверждений. Но с тех пор состояния Тейлора были сформированы на нескольких машинах, включая:
- Эксперимент с компактным тором (CTX) в Национальной лаборатории Лос-Аламоса (LANL). CTX работал с ~1979 по ~1987 год. Он достиг температуры электронов 4,6 миллиона кельвинов. [12] пробежал 3 микросекунды [13] и имел отношение давления плазмы к магнитному давлению 0,2. [14]
- Физический эксперимент с устойчивым сферомаком (SSPX) в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) представлял собой более совершенную версию CTX, которая использовалась для измерения процесса релаксации, который привел к состоянию Тейлора. Машина эксплуатировалась с 1999 по 2007 год. [15]
- Эксперимент «Сферомак Калифорнийского технологического института» в Калифорнийском технологическом институте (Калифорнийский технологический институт) представлял собой небольшую машину, которой управляла лаборатория доктора Пола Белланса с ~2000 по ~2010 год.
- Индуктивный метод Helicity Injected Torus-Steady (HIT-SI) в Вашингтонском университете проводился под руководством доктора Джарбо с ~2004 по ~2012 год. Это был предшественник динамака. Машина создала 90 килоампер стабильного плазменного тока за несколько (<2) микросекунд. [16] и продемонстрировал первый привод тока наложенной динамо-машины (IDCD) в 2011 году. [17] Прорыв IDCD позволил группе доктора Джарбоеса представить первую версию этой машины размером с реактор; по имени динамак.
Диномак возник в результате эксперимента HIT-SI. HIT-SI претерпел несколько обновлений: HIT-SI3 (с 2013 по 2020 год) и HIT-SIU (после 2020 года), оба были вариантами одной и той же машины. [18] Эти машины продемонстрировали, что индуктивный ток можно использовать для создания и поддержания плазменной структуры сферомаков.
Магнитно-индукционный привод
[ редактировать ]
По определению, динамак — это плазменная структура, которая запускается, формируется и поддерживается с помощью инжекции магнитного потока. В электрических трансформаторах используется аналогичный процесс; в первичном контуре создается магнитный поток, и это создает переменный ток на вторичной стороне. Согласно закону индукции Фарадея , только изменяющееся магнитное поле может индуцировать вторичный ток – вот почему трансформатор постоянного тока не может существовать. В динамаке магнитная индукция используется для создания плазменного тока внутри заполненной плазмой камеры. Это приводит плазму в движение, и система в конечном итоге переходит в состояние Тейлора или сферомака . Процесс релаксации включает поток магнитной спиральности (закручивание силовых линий) от инжекторов в центр машины. [19]
Сторонники этого подхода к нагреву утверждают, что индукция на 2-3 порядка эффективнее, чем радиочастотный (РЧ) или нагрев нейтральным лучом. [19] [20] Если это правда, то это дает динамаку несколько явных преимуществ перед другими подходами к термоядерному синтезу, такими как токамаки или магнитные зеркала . Но это открытая область исследований; ниже приведены несколько примеров того, насколько эффективен индуктивный привод для создания плазменного тока внутри динамака.
| Индукционная мощность (мегаватты) | Частота привода (кГц) | Плазменный ток (килоамперы) | Машина | Год |
|---|---|---|---|---|
| 3 | 5.8 | 12 | Ударил тебя | 2006 |
| 6 | 14.7 | 38 | Ударил тебя | 2011 |
В динамаке используются форсунки, представляющие собой изогнутые рычаги, прикрепленные к основной камере. По изгибу этих плеч подается переменный ток, который создает магнитный поток , приводящий в движение динамак. Вашингтонский университет экспериментировал с двумя и тремя количествами инжекторов. Фаза . переменного тока смещена, чтобы обеспечить непрерывную подачу магнитного потока в диномак Количество форсунок влияет на угол смещения: Ток привода и, следовательно, форсунки смещаются на 90 градусов для двух форсунок и на 60 градусов для трех форсунок.
Преимущества
[ редактировать ]Плазменная структура сферомаков формируется естественным путем, без каких-либо дополнительных технологий. Сторонники утверждают, что это дает динамакам несколько преимуществ, в том числе:
- Это позволяет избежать перегибов, взаимообмена и других нестабильностей плазмы, которые обычно поражают плазменные структуры. По этой причине динамак может создать давление и нагреть плазму до предела Мерсера по бета-числу. [22] Если это правда, то в конечном итоге это может привести к уменьшению реактора по сравнению с другими подходами к термоядерному синтезу.
- Индуктивный привод может быть на 2-3 порядка эффективнее, чем нагрев радиочастотным или нейтральным лучом. [19] [20] Это открытая область исследований.
- Диномаку может не потребоваться дополнительное оборудование для нагрева, такое как инжекция нейтрального луча.
- В отличие от токамака, у диномака нет центрального соленоида , что снижает массу, стоимость и потребность в рабочей мощности реактора.
По состоянию на 2014 год плазмы достигла 5x10. плотность 19 м −3 , температура 60 эВ и максимальное время работы 1,5 мс. [ нужна ссылка ] Никаких результатов о времени заключения не было. При таких температурах не происходит термоядерного синтеза, альфа-нагрева или образования нейтронов.
Коммерциализация
[ редактировать ]Как только технические принципы были проверены на машине HIT-SI, доктор Джарбо предложил своим студентам на занятиях в Университете Вашингтона разработать термоядерный реактор, основанный на этом подходе. [2] Студенты спроектировали динамак как электростанцию реакторного уровня, основанную на открытиях, сделанных на HIT-SI и более ранних машинах.
В конце концов, эти студенты сформировали CT Fusion как дочернюю компанию Вашингтонского университета, чтобы коммерциализировать динамо-машину в 2015 году. [23] Компания обладает эксклюзивными правами на 3 патента Вашингтонского университета и с 2015 по 2019 год привлекла более 3,6 миллиона долларов США за счет государственного и частного финансирования. [24] Аббревиатура CT означает «компактный тороид», именно так сферомаки назывались на протяжении десятилетий. Компания получила финансирование в рамках гранта Агентства перспективных исследовательских проектов в области энергетики ( ARPA-E ) на финансирование термоядерного синтеза. CT Fusion закрылась в 2023 году. [25]
В отличие от других конструкций термоядерных реакторов (таких как ИТЭР ), динамак, по мнению его команды инженеров, может быть сопоставим по стоимости с обычной угольной электростанцией . [2] По расчетам, динамак будет стоить одну десятую стоимости ИТЭР и производить в пять раз больше энергии при КПД 40 процентов. Диномак мощностью один гигаватт обойдется в 2,7 миллиарда долларов США по сравнению с 2,8 миллиарда долларов США для угольной электростанции. [26]
Дизайн
[ редактировать ]Dynomak включает в себя систему криогенной откачки, разработанную ИТЭР. используется сплюснутый сфероид В сферомаках вместо конфигурации токамака без центрального ядра или большие сложные сверхпроводящие магниты , как во многих токамаках, например, ИТЭР. Магнитные поля создаются путем помещения электрических полей в центр плазмы с помощью сверхпроводящих лент, обернутых вокруг сосуда, так что плазма удерживает сама себя. [26]
Диномак меньше по размеру, его проще и дешевле построить, чем токамак, такой как ИТЭР, но при этом он производит больше энергии. Реакция термоядерного синтеза является самоподдерживающейся, поскольку избыточное тепло отводится слоем расплавленной соли для питания паровой турбины. [26] Прототип был примерно в десять раз меньше коммерческого проекта и мог эффективно поддерживать плазму. Более высокая мощность потребует большего масштаба и более высокой температуры плазмы. [2]
Критика
[ редактировать ]Диномак опирается на медную стенку, которая сохраняет и направляет магнитный поток, подаваемый в машину. Эта стенка упирается в плазму, создавая возможность высоких потерь проводимости через металл. HIT-SI покрыл внутреннюю часть медной стенки изолятором из оксида алюминия, чтобы уменьшить эти потери, но это все равно может стать основным механизмом потерь, если машина перейдет в условия термоядерного реактора. [27]
Кроме того, введение магнитной спиральности в поле заставляет машину разрушать поверхности магнитного потока, которые удерживают и поддерживают плазменную структуру. Разрушение этих поверхностей называют причиной того, что механизм нагрева динамаков не работает так эффективно, как предполагалось.
Наконец, динамак имеет сложную геометрию камеры, что усложняет и создает проблемы при обслуживании и вакуумной формовке.
См. также
[ редактировать ]- Сферомак
- Конфигурация с обратным полем , аналогичная концепция
- Сферический токамак , по сути, сферомак, образованный вокруг центрального проводника-магнита.
- штат Тейлор
- Джон Брайан Тейлор
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Д. А. Сазерленд, Т. Р. Джарбо и др., «Динамомак: усовершенствованная концепция реактора-сферомака с принудительным приводом тока динамо-машины и технологиями ядерной энергетики следующего поколения» , Fusion Engineering and Design , Том 89, выпуск 4, апрель 2014 г., стр. 412–425
- ^ Jump up to: а б с д Мишель Ма, «Концепция термоядерного реактора UW может быть дешевле угля» , Вашингтонский университет , 8 октября 2014 г.
- ↑ Эван Акерман, «Внутри Dynomak» , IEEE Spectrum , 26 ноября 2014 г.
- ^ Каптаноглу, Алан А. и др. «Расширенное моделирование для эксперимента HIT-SI». Препринт arXiv arXiv:2003.00557 (2020).
- ^ Jump up to: а б Тейлор, Дж. Брайан. «Релаксация тороидальной плазмы и генерация обратных магнитных полей». Physical Review Letters 33.19 (1974): 1139.
- ^ Голденбаум, Г., Дж. Ирби, Ю. Чонг и Г. Харт. «Формирование плазменной конфигурации сферомаков». Physical Review Letters 44.6 (1980): 393-96. Веб.
- ^ Колб, AC; Добби, CB; Грим, HR (1 июля 1959 г.). «Смешивание полей и связанное с ним производство нейтронов в плазме». Письма о физических отзывах . 3 (1): 5–7. дои : 10.1103/PhysRevLett.3.5 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Тушевский, М. (1 ноября 1988 г.). «Полевые обратные конфигурации». Ядерный синтез . 28 (11): 2033–2092. дои : 10.1088/0029-5515/28/11/008 . ISSN 0029-5515 .
- ^ Грин, Т.С. (1 октября 1960 г.). «Доказательства содержания горячей плотной плазмы в тета-пинче». Письма о физических отзывах . 5 (7): 297–300. doi : 10.1103/PhysRevLett.5.297 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Беллан, Пол (2000). Сферомакс. Издательство Имперского колледжа. ISBN 978-1-86094-141-2.
- ^ Розенблут, Миннесота; М. Н. Бюссак. «МГД-стабильность сферомака». Ядерный синтез 19.4 (1979): 489
- ^ Джарбо, Т.Р., Высоцкий, Ф.Дж., Фернандес, Дж.К., Хенинс, И., Марклин, Г.Дж., Физика жидкостей B 2 (1990) 1342-1346
- ^ «Физика в 1990-е годы», National Academies Press, 1986, стр. 198.
- ^ Высоцкий, Ф.Дж., Фернандес, Дж.К., Хенинс, И., Джарбо, Т.Р., Марклин, Г.Дж., Physics Review Letters 21 (1988) 2457-2460
- ^ Вуд, Р.Д. и др. «Контроль частиц в устойчивом физическом эксперименте сферомаков». Журнал ядерных материалов 290 (2001): 513-517.
- ^ Зик, PE и др. «Первые результаты анализа плазмы на сферомаке HIT-SI». Тезисы докладов заседания Отделения физики плазмы АПС. Том. 45. 2003.
- ^ Сазерленд, Д.А. и др. «Диномак: усовершенствованная концепция термоядерного реактора с приводом тока динамо-машины и технологиями ядерной энергетики следующего поколения».
- ^ Морган, К.Д. и др. «Высокоскоростное управление колеблющимся магнитно-спиральным инжектором с обратной связью с помощью графического процессора». Обзор научных инструментов 92.5 (2021): 053530.
- ^ Jump up to: а б с Фиш, Натаниэль Дж. «Теория тока в плазме». Обзоры современной физики 59.1 (1987): 175.
- ^ Jump up to: а б с Джарбо, Т.Р. и др. «Последние результаты эксперимента HIT-SI». Ядерный синтез 51.6 (2011): 063029
- ^ Джарбо, TR и др. «Формирование сферомаков методом устойчивой индуктивной спиральной инъекции». Письма о физической экспертизе 97.11 (2006): 115003
- ^ Акулы ядерного синтеза - Июньский звонок - PSS и CT Fusion. Ютуб. Опубликовано онлайн 11 июня 2019 г. По состоянию на 2 мая 2022 г.
- ^ Доктор Мэтью Мойнихан. Резервуар «Акула ядерного синтеза» — июньский звонок — PSS & CT Fusion. Ютуб. Опубликовано в Интернете 11 июня 2019 г. По состоянию на 2 мая 2022 г.
- ^ CTFusion. Fusionenergybase.com. Опубликовано в 2019 г. По состоянию на 2 мая 2022 г. https://www.fusionenergybase.com/organization/ctfusion.
- ^ Стифлер, Лиза (5 апреля 2023 г.). «Энергетический стартап CTFusion закрывается, поскольку соучредители переходят к конкуренту Zap» .
- ^ Jump up to: а б с Сонди, Дэвид (12 октября 2014 г.). «Термоядерный реактор Вашингтонского университета обещает энергию, «более дешевую, чем уголь» . newatlas.com . Проверено 13 октября 2016 г.
- ^ Зик, PE и др. «Первые результаты анализа плазмы на сферомаке HIT-SI». Тезисы докладов заседания Отделения физики плазмы АФН. Том. 45. 2003 г.
Термоядерная энергия , процессы и устройства | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Основные темы |
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Процессы, методы |
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Устройства, эксперименты |
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
