Электростанция инерционного термоядерного синтеза
Энергия инерционного термоядерного синтеза — это предлагаемый подход к созданию термоядерной электростанции, основанный на проведении термоядерного синтеза с инерционным удержанием в промышленном масштабе. Этот подход к термоядерной энергии все еще находится на стадии исследований. ICF впервые была разработана вскоре после разработки лазера в 1960 году, но в первые годы ее существования была секретной исследовательской программой США. В 1972 году Джон Наколлс написал статью, в которой предсказал, что сжатие мишени может создать условия, в которых реакции термоядерного синтеза будут связаны друг с другом - процесс, известный как термоядерное зажигание или горящая плазма. [2] 8 августа 2021 года NIF Ливерморской национальной лаборатории стал первым учреждением ICF в мире, продемонстрировавшим это (см. график). [3] [4] Этот прорыв побудил Министерство энергетики США создать в 2022 году программу инерционного термоядерного синтеза с бюджетом в 3 миллиона долларов в первый год ее реализации. [5]
Проектирование электростанции IFE
[ редактировать ]Этот тип термоядерного реактора будет состоять из двух частей:
- Мишенью могут быть небольшие капсулы (диаметром менее 7 миллиметров), содержащие термоядерное топливо. Хотя были протестированы многие виды мишеней, в том числе: цилиндры, оболочки, покрытые нанотрубками, твердые блоки, хольраум , стеклянные оболочки, наполненные термоядерным топливом, криогенно замороженные мишени, пластиковые оболочки, пенопластовые оболочки и материалы, подвешенные на паутине. [6]
- Драйверы , которые используются для сжатия и создания ударной волны, сжимающей цель. Эта волна сжатия толкает материал до температуры и давления, при которых происходит плавление. Драйверами, которые были исследованы, являются твердотельные лазеры , эксимерные лазеры, высокоскоростные твердые объекты, рентгеновские лучи, пучки ионов ( синтез тяжелых ионов (HIF)) и пучки электронов.
Чистая энергия в ICF получается в результате объединения реакций термоядерного синтеза в процессе, известном как воспламенение. [7] Чтобы добраться туда, нам нужно достаточно долго сжимать материал до горячих и плотных условий. Но ключевая проблема заключается в том, что после того, как плазма становится горячей, ее становится трудно сжимать. Цель состоит в том, чтобы избежать нагрева материала до тех пор, пока он не будет сжат. В литературе это известно как низкоадиабатический подход к сжатию. Эти шаги описаны ниже:
- Сохраняя плазму очень холодной, сожмите ее вместе.
- Нагревайте плазму только после ее сжатия; в идеале внутри «горячей точки».
- Происходит синтез, и полученные продукты отдают свою энергию, создавая еще больший синтез.
Это пытаются сделать несколько подходов к сжатию, в том числе: зажигание в центральной горячей точке, быстрое зажигание, ударное зажигание и магнитоинерционный синтез.
Исследовательские институты ICF
[ редактировать ]
Эта программа изначально была создана как способ разработки ядерного оружия , поскольку ICF имитирует физику сжатия термоядерной бомбы. Эти объекты построены по всему миру, ниже приведены некоторые примеры.
- Laser Mégajoule во Франции был разработан в 2002 году и модернизирован в 2014 году. [8]
- Omega Laser был впервые создан в 1992 году в Рочестерском университете.
- Omega-EP был впервые создан в 2008 году в Рочестерском университете как второй по мощности лазерный луч.
- Gecko Laser был впервые построен в Университете Осаки в Японии в 1983 году, но с тех пор модернизировался почти дюжину раз.
- NIF впервые начал свою работу в 2009 году в Ливерморской национальной лаборатории. [9]
- NIKE Laser был создан в Военно-морской исследовательской лаборатории для изучения эксимерных (газовых) лазеров. [10]
- Electra Laser был создан в Военно-морской исследовательской лаборатории для изучения эксимерных (газовых) лазеров. [11]
- Лазерная установка PALS в Чехии была создана для исследования лазерной имплозии ICF. [12]
- Машина 3 была разработана компанией First Light Fusion для ускорения блоков материала и создания ударной волны на цели.
В прошлом также было построено, испытано и выведено из эксплуатации множество объектов ICF. Например, в течение 1970-х и до середины 1980-х годов Национальная лаборатория Сандиа проводила серию (<10 машин) исследовательской программы ICF с использованием ионного и электронного пучка. [13] Альтернативно, в конце 1980-х годов в Лос-Аламосе была построена большая эксимерная лазерная установка под названием «Аврора». [14] Ливерморская национальная лаборатория построила ряд лазерных установок, включая Nova, Cyclops, 4-PI, SHIVA и другие устройства. В рамках подготовки к открытию NIF и достижению зажигания Ливерморская национальная лаборатория профинансировала ряд исследований по программе Laser Inertial Fusion Energy . В рамках этой программы была разработана конструкция реактора, исследована смета, камеры реактора и программы улавливания энергии.
Исследовательские программы IFE
[ редактировать ]
Развитие IFE в Соединенных Штатах шло волнами. Ниже приведены некоторые государственные программы, которые на протяжении многих лет финансировались для продвижения этой технологии:
- HAPL Лазерная программа высокого среднего уровня осуществлялась Военно-морской исследовательской лабораторией с 1999 по 2008 год. [15] В рамках этой программы были выделены гранты командам целеуказателей, лазеров и водителей по всей территории Соединенных Штатов, а также организовано 19 встреч между организациями-членами.
- ЖИЗНЬ Программа Laser Inertial Fusion Energy осуществлялась Ливерморской национальной лабораторией с 2008 по 2016 год. Эта программа финансировалась для разработки термоядерной электростанции IFE на базе Национальной установки зажигания.
- СОИ Стратегическая оборонная инициатива (СОИ) непреднамеренно поддержала многие из лазерных технологий IFE, наблюдаемых сегодня.
Разработка драйверов
[ редактировать ]До сих пор неясно, какой драйвер лучше всего подойдет для электростанции IFE, и сторонники разных драйверов продвигают свой любимый подход. Лазеры на данный момент оказались наиболее хорошо исследованными. Ниже приводится краткое описание драйверов лазеров, которые были изучены. Проблема с внедрением лазерных систем связана не только с лучом, но и с оптикой, зеркалами, усилителями и решетками, которые также необходимы для установки этой системы.
| Водитель | Длина волны | Расходы | Эффективность преобразования электроэнергии в свет | Частота повторений | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ARF-лазер (на газовой основе) | 193 нм | дешевле | 9-16% | ? | Более короткая длина волны улучшает сжатие. Газ не сохраняет тепло, что позволяет выполнять удары с высокой частотой повторений. | Стекло, решетки и зеркало развиты недостаточно. |
| Лазер КРФ (на газовой основе) | 248 нм | дешевле | 7-10% | 90 000 выстрелов за 10 часов. [16] | Более короткая длина волны улучшает сжатие. Газ не сохраняет тепло, что позволяет выполнять удары с высокой частотой повторений. | Стекло, решетки и зеркало развиты недостаточно. |
| Nd-лазер (твердый лазер) | 1053 нм и/или 351 нм при утроенном увеличении частоты | дорогой | от 0,5 до <20%. | 45 минут на выстрел (минимум) на Омеге, 1 выстрел в день на НИФ. | Лазерное стекло, покрытия, оптика и кристаллы были созданы или продемонстрированы на больших системах. | Меньшая частота повторений из-за нагрева стекла. |
| Высокоскоростной снаряд | Н/Д | Дешевый | ? | Зависит от используемого драйвера. Скорость рельсотронов принципиально ограничена. Было показано, что газовые пушки производят термоядерный синтез. [17] Твердые вкладыши, которые разрываются под воздействием сильного течения, показали себя лучше всего. [18] | Более простая технология | До сих пор твердые объекты работали не так хорошо, как лазерные системы. И Z-Machine, и First Light Fusion провели эксперименты. |
| Пучки ионов | Н/Д | Дешевый | ? | Пучки ионов можно генерировать легче, чем лазеры или снаряды. Но этот драйвер генерирует плазму, которая рассеивается в камере. | Возможна высокая повторяемость выстрелов. | Пучок ионов трудно сфокусировать на цели; луч разрывается силами отталкивания (от + до +) из-за отталкивания . Следовательно, для поддержания когерентности луча требуется оборудование, энергия и усилия. |
Сопутствующие технологии драйверов
[ редактировать ]В зависимости от используемого драйвера существуют ключевые связанные технологии, которые необходимо доработать; ниже приведены некоторые из них:
- Стекло , способное выдерживать энергию лазера (Джоули), проходящую через поперечное сечение стекла (метры^2), не плавясь и не повреждаясь. Затем стекло используется для изготовления зеркал, линз, решеток или окон внутри электростанции.
- Усилители , которые можно использовать для увеличения мощности лазерного луча.
- Компрессоры , которые могут сжимать лазерный луч или ионный луч в пространстве и времени для увеличения общей мощности поражения цели.
- Системы импульсной энергии , которые могут доставлять мегаджоули, необходимые для драйвера лазера, ионного луча или твердого объекта. Рабочая лошадка импульсной энергии ( генератор Маркса ) имеет ограничения для установки ICF, и были проведены исследования по использованию драйвера линейного трансформатора в качестве альтернативного источника питания.
- Лазерные диоды используются в качестве первого шага в преобразовании электрической энергии в световую для инициирования лазерного луча. Такие системы могут быть дорогими и не нужны для эксимерных лазеров.
- Сглаживание фазовой пластины — это метод сглаживания лазерных лучей в твердотельных лазерных системах.
Целевое развитие
[ редактировать ]Для исследований ICF было разработано множество типов мишеней, но для электростанции потребуются тысячи, если не миллионы идентичных мишеней, которые будут многократно обстреливаться. Это будет чрезвычайно сложно. В настоящее время Министерство энергетики заключает контракт с General Atomics на производство мишеней ICF для национальных лабораторий. Эти мишени частично строятся в GA, а затем отправляются по всей стране на объект ICF для проведения съемок. В лабораториях имеется оборудование и персонал, необходимые для выполнения последних шагов по подготовке мишеней к выстрелу. [19]
Целевой пример
[ редактировать ]- Мишени Glass Shell представляли собой стеклянные сферы на ножках, наполненные газом DT; это были одни из первых целей. [20]
- Мишени с нанесенным покрытием включают выращивание химических материалов поверх мишени-оболочки. Это можно сделать с помощью направленного химического осаждения пластика или слоев золота или серебра из паровой фазы. [21]
- Мишени Хольраума представляют собой гранулы термоядерного топлива DT, окруженные трубками из золотой фольги. Лазер поражает фольгу и создает рентгеновские лучи, сжимающие мишени; имитирует ядерное оружие.
- Шелковые мишени прикреплены к нитям паучьего шелка; этот материал является самым прочным из известных материалов на поперечное сечение и сохраняет хорошие характеристики вплоть до криогенных температур.
- Криогенные мишени — это те, температура которых должна поддерживаться ниже ≈34 Кельвина для конденсации газообразного водорода в жидкость или ≈14 Кельвина для конденсации в твердое состояние.
- Смачиваемые пеной мишени изготавливаются с использованием различных углеродно-водородных пен и заполняются жидким материалом DT, охлажденным до температуры ниже ≈34 Кельвина.
- Ледяные мишени изготавливаются с использованием различных углеродно-водородных пен и заполняются жидким материалом DT, охлажденным до температуры ниже ≈14 Кельвинов.
Криогенные мишени
[ редактировать ]
Есть несколько способов получить тритий и дейтерий в уже изготовленную капсулу. Наполнители под высоким давлением работают путем помещения оболочек в камеру с давлением газа от 1 до 100 атм и диффузии газа в оболочку. [22] Оболочки из криогенной пены могут работать за счет впитывания жидкой жидкости DT в пену. Это предполагает понижение температуры и давления нежной скорлупы без ее повреждения. Это поэтапный процесс, который может занять от нескольких часов до нескольких дней и требует нескольких камер содержания и различных типов насосов. При криогенных температурах газ DT превращается в жидкость, которая может проникнуть в пенопластовую оболочку. После заполнения операторы медленно снижают температуру, чтобы сформировать кристаллы льда. Лед может начать формироваться вокруг экватора цели, а затем превратиться в целый кристалл. [23] Лед заключен в пенопластовую оболочку. У инженеров возникли проблемы с растрескиванием льда во время процесса формирования, и все это влияет на качество выстрела. Мониторинг всего этого осуществляется с помощью теневых грамм, 360-градусной рентгеновской диагностики, визуального осмотра и других инструментов; Вся информация пропускается через программное обеспечение, которое получает полную картину цели во время заполнения. [24]
Перемещение криогенных мишеней
[ редактировать ]Хранение ICF замороженным при криогенных температурах при доставке его в камеру для инъекции является сложной задачей. Например, в Лаборатории лазерной энергетики замороженная мишень хранится внутри изготовленной по индивидуальному заказу мобильной криогенной тележки, которую можно перемещать под камеру мишени. Тележка оснащена системой охлаждения и вакуумным насосом для поддержания материала в холодном состоянии. Эта тележка удерживает замороженную мишень на конце «холодного пальца», который затем поднимается на лифте и устанавливается в центре камеры. [25] Когда металлический кожух снимается, криогенная мишень подвергается воздействию комнатной температуры и начинает немедленно сублимироваться в газ. Это означает, что лазерные импульсы должны напрямую координироваться с воздействием на мишень, и все должно происходить быстро, чтобы мишень не расплавилась.
См. также
[ редактировать ]
- Ядерный синтез
- Сила термоядерного синтеза
- Инерционное электростатическое удержание
- Инерционный термоядерный синтез
- Лазерное инерционное удержание
- Мегаджоульный лазер
- Национальная установка зажигания
- Инерционное удержание Z-пинча
- Установка импульсной энергии Z
- Проект ПЕЙСЕР
Примечания и ссылки
[ редактировать ]- ^ Обенсчейн, Стивен и др. «Высокоэнергетические лазеры на фториде криптона для инерционного синтеза». Прикладная оптика 54.31 (2015): Ф103-Ф122.
- ^ Наколлс, Джон; Вуд, Лоуэлл; Тиссен, Альберт; Циммерман, Джордж (15 сентября 1972 г.). «Лазерное сжатие материи до сверхвысоких плотностей: термоядерные применения». Природа. 239 (5368): 139–142. Бибкод:1972Natur.239..139N. дои: 10.1038/239139a0. S2CID 45684425.
- ^ «Важная веха в области ядерного синтеза достигнута, когда в лаборатории произошло« воспламенение »» .
- ^ Аут, Крамер Дэвид Автор (3 декабря 2021 г.). «Последние попытки Лоуренса Ливермора зажечь провалились». Физика сегодня. 2021 (2): 1203а. doi:10.1063/PT.6.2.20211203a. S2CID 244935714.
- ^ «Семинар Министерства энергетики США рассматривает потребности исследований в области энергии инерционного синтеза» .
- ^ Найт, Андреа К. Анализ дискретных стадий формирования полиимидных пленок методом осаждения из паровой фазы и их влияние на свойства пленки. Том. 68. № 05. 2007.
- ^ Яманака, К. «Инерционный термоядерный синтез: поиск воспламенения и получения энергии с использованием непрямого привода». (1999): 825.
- ^ «Суперлазеры прокладывают путь знаний» . TheGuardian.com . 13 августа 2013 г.
- ^ «Часто задаваемые вопросы» .
- ^ «NRL Nike Laser фокусируется на ядерном синтезе» .
- ^ https://www.nrl.navy.mil/Portals/38/PDF%20Files/6-21FS-R_Electra_Lab_FacilityFS.pdf?ver=qXDAe01BqHdmjZjTlAScoQ%3D%3D [ пустой URL PDF ]
- ^ «PALS» (Прага, Чехия) — LASERLAB-EUROPE .
- ↑ Death Rays and Delusions, сентябрь 2017 г. Издатель: Peter Publications Джеральд Йонас, ISBN 0692919554
- ^ Тернер, Т.П. и др. «Недавние лазерные эксперименты на лазерной системе Aurora KrF/ICF». Лазерс '89 (1990): 10-14.
- ^ «Программа лазеров высокой средней мощности - Архив совещаний» .
- ^ Вулфорд, Мэтью Ф. и др. «Лазерный драйвер на фториде криптона (KrF) для энергии инерционного термоядерного синтеза». Наука и технология термоядерного синтеза 64.2 (2013): 179–186.
- ^ «UKAEA подтверждает жизнеспособность концепции, лежащей в основе конструкции термоядерного реактора | Первый световой синтез» .
- ^ https://fire.pppl.gov/fpa05_olson.pdf [ пустой URL PDF ]
- ^ https://www.lle.rochester.edu/media/publications/presentations/documents/APS06/Sangster_APS06.pdf [ пустой URL PDF ]
- ^ Белэнджер, Рэймонд П. и Уэйн Дж. Миллер. «Приготовление стеклянной оболочки». Журнал вакуумной науки и техники A: Вакуум, поверхности и пленки 3.3 (1985): 1270-1273.
- ^ Найт, Андреа К. Анализ дискретных стадий формирования полиимидных пленок методом осаждения из паровой фазы и их влияние на свойства пленки. Том. 68. № 05. 2007.
- ^ «Руководство по криогенной установке LLE». Лаборатория лазерной энергетики. https://www.lle.rochester.edu/index.php/omega-laser-facility-2/omega-laser-facility-documentation/cryo-and-tritium-facility/ .
- ^ Маршалл, Ф.Дж. и др. «Взрыв криогенной мишени с прямым приводом на ОМЕГЕ». Физика плазмы 12.5 (2005): 056302.
- ^ Сангстер, Т. Крейг и др. «Криогенные мишени ДТ и Д 2 для инерциального термоядерного синтеза». Физика плазмы 14.5 (2007): 058101.
- ^ Сангстер, Т. Крейг и др. «Криогенные мишени ДТ и Д 2 для инерциального термоядерного синтеза». Физика плазмы 14.5 (2007): 058101.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- «Термоядерный синтез методом инерционного удержания: от фундаментальных исследований к производству энергии» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 25 ноября 2006 г. (1,28 МБ ) ( Университет Бордо I , ноябрь 2005 г.) (на французском языке) [ мертвая ссылка ]
- Учебное пособие по энергии синтеза тяжелых ионов (Виртуальная национальная лаборатория синтеза тяжелых ионов)
- «Краткий отчет 2-го координационного совещания по исследованию элемента электростанций инерционного термоядерного синтеза» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 10 июля 2007 г. Проверено 9 июля 2006 г. (4,82 МБ ) (ноябрь 2003 г.) [ мертвая ссылка ]
- «Обзор энергетической программы инерционного термоядерного синтеза» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 23 сентября 2006 г. (4,14 МБ ) (Консультативный комитет по термоядерным энергетическим наукам, март 2004 г.) [ мертвая ссылка ]
- «Обзор термоядерных технологий в США» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 18 апреля 2007 г. Проверено 9 июля 2006 г. (513 КиБ ) (июнь 2005 г.)
- Взгляды на нейтронно-физические вопросы и вопросы активации, стоящие перед камерами IFE с жидкостной защитой
- Позиция IEEE-США: Исследования и разработки в области термоядерной энергетики (июнь 2006 г.)
