Китайский испытательный реактор термоядерного синтеза
| Китайский испытательный реактор термоядерного синтеза | |
|---|---|
| Тип устройства | Токамак |
| Расположение | Хэфэй , провинция Аньхой , Китай |
| Технические характеристики | |
| Большой радиус | 7,2 м |
| Малый радиус | 2,2 м |
| Магнитное поле | 6,5 Т |
| Плазменный ток | 14 г. н. э. |
Китайский испытательный реактор термоядерного синтеза ( китайский : 中国聚变工程实验堆 ; пиньинь : Zhōngguó Jùbiàn Gōngchéng Shíyànduī ), или CFETR , представляет собой предлагаемый токамак термоядерный реактор , который использует магнитное поле для удержания плазмы и генерации энергии. [1] По состоянию на 2015 год токамакы являются ведущими кандидатами на создание жизнеспособного и практичного реактора термоядерного синтеза. [1] Эти реакторы могут использоваться для производства устойчивой энергии , обеспечивая при этом меньшее воздействие на окружающую среду и меньший углеродный след, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе. [2] [3]
CFETR использует и намерен развивать уже существующие исследования ядерного синтеза в рамках Международной программы термоядерных экспериментальных реакторов , чтобы устранить пробелы между ИТЭР и термоядерной установкой следующего поколения и классом реакторов-преемников ИТЭР, Демонстрационной электростанцией (DEMO) . [4]
По состоянию на 2019 год в Китае работают три отечественных испытательных термоядерных реактора. К ним относятся EAST в ASIPP в Хэфэе , HL-2A (M) в Юго-западном институте физики (SWIP) в Чэнду и J-TEXT, расположенный в Университете науки и технологий Хуачжун в Ухане . [5] Кроме того, по состоянию на 2021 год, чтобы более точно смоделировать потенциально функционально работоспособный CFETR, HL-2A в SWIP был модернизирован до HL-2M . [5] Строительство ХЛ-2М было завершено в ноябре 2019 года, а 4 декабря 2020 года аппарат введен в эксплуатацию. [3]
Концептуальный проект CFETR, завершенный в 2015 году, во многом основан на конструкции этих трех отечественных термоядерных реакторов. [5] Строительство CFETR, вероятно, начнется в 2020-х годах, а завершение ожидается к 2030-м годам. [5]
Цели и задачи
[ редактировать ]Китайский испытательный реактор термоядерного синтеза (CFETR) будет работать в два этапа. На первом этапе CFETR должен будет продемонстрировать стабильную работу и тритием с коэффициентом воспроизводства трития> 1. самообеспеченность [4] Более того, на первом этапе CFETR должен продемонстрировать выработку термоядерной энергии до 200 МВт. [4]
Второй этап, этап проверки DEMO , требует, чтобы CFETR генерировал мощность более 1 ГВт. [6] В более общем плане CFETR также будет служить инструментом исследований и разработок для испытаний различных конструкционных и функциональных материалов с целью выявления или разработки материала с высоким сопротивлением нейтронному потоку . [7]
Дизайн
[ редактировать ]По состоянию на 2019 год проектирование CFETR продолжалось на этапе инженерного проектирования, который, как ожидается, будет завершен в период с 2020 по 2021 год. Первый этап, с 2010 по 2015 год, называется этапом концептуального проектирования. [7] Необходимо было продемонстрировать экономическую целесообразность строительства малосерийной машины. Более того, этот этап обеспечил подтверждение концепции строительства экономичного термоядерного реактора, способного вырабатывать электроэнергию. [7]
Второй этап проектирования, этап инженерного проектирования, начался в 2015 году и был направлен на разработку крупномасштабной машины с целью достижения выходной мощности 1 ГВт в соответствии с требованиями валидации DEMO. [4] С 2017 года исследования перешли к моделированию различных сценариев эксплуатации, изучению нюансов различных экспериментальных конструкций отдельных компонентов CFETR, таких как полноразмерная вакуумная камера и технология разведения трития. [4]
По состоянию на 2019 год открытия, сделанные после концептуального и инженерного этапов исследований, консолидировались, интегрировались и развивались. [7]
Проблемы
[ редактировать ]
Местоположение, ресурсы и инфраструктура
[ редактировать ]Китайский испытательный реактор термоядерного синтеза планируется построить в Хэфэе , провинция Аньхой. Некоторые критические проблемы еще предстоит решить, в том числе 19 ключевых системных проблем, таких как контроль вертикальной нестабильности с помощью внутренних катушек, контроль примесей, транспорт альфа-частиц, предотвращение и смягчение сбоев, контроль и предотвращение ELM типа I, технологии для большого нагрева. энергетика, производство трития и обращение с ним. [8] Более того, хотя свойства материалов, необходимых для строительства CFETR, известны, многие из этих материалов еще предстоит изготовить, и исследования по созданию необходимых материалов все еще продолжаются. [4]
Более того, самодостаточность CFETR является одной из самых серьезных проблем. Дейтерий и тритий являются источниками топлива для CFETR, и хотя дейтерия в природе много, коммерческих источников трития мало. [9] Хотя тритий можно производить в лабораторных условиях с использованием тяжеловодных реакторов , ускорителей и легководных реакторов , [9] нынешнее количество трития, производимого в мире, недостаточно для эксплуатации термоядерных реакторов . [9] Таким образом, ключевыми задачами являются создание соответствующей концепции топливного цикла для переработки и обновления трития, а также разработка новых методов производства трития экономичным и рентабельным способом. [9]
Эти проблемы многогранны и сложны и требуют междисциплинарного сотрудничества и исследований. Таким образом, для решения 19 ключевых системных проблем, поставленных CFETR, были сформированы отдельные группы для решения каждой проблемы в отдельности. [8] Эту инициативу возглавляет Комплексный исследовательский центр термоядерных технологий (CRAFT) и его команда из 300 ученых, инженеров и исследователей в Китае, которые пытаются решить эти критические проблемы, предлагая практические, жизнеспособные и экономически эффективные решения. [8]
Экономическая жизнеспособность
[ редактировать ]До появления возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия , термоядерный синтез рекламировался как будущее чистой энергии с нулевым выбросом углерода . [10] Однако внедрение, более широкое применение и использование возобновляемых источников энергии радикально изменили энергетический ландшафт. Например, по прогнозам, к 2050 году возобновляемые источники энергии будут обеспечивать 74% мировой энергии. [11] Более того, с падением цен на возобновляемые источники энергии экономическая жизнеспособность термоядерной энергетики оказалась на переднем крае обсуждения будущей экономики энергетики. [10]
В настоящее время экономисты предполагают, что термоядерная энергия вряд ли будет такой же дешевой, как возобновляемая энергия . [10] У термоядерных установок, как и у атомных электростанций , будут большие стартовые и капитальные затраты , поскольку стоимость материалов, оборудования и инфраструктуры, необходимых для строительства этих термоядерных установок, вероятно, будет непомерной. Более того, эксплуатация и техническое обслуживание этих узкоспециализированных предприятий, вероятно, также будут дорогостоящими. [10] Хотя затраты на эксплуатацию и строительство CFETR малоизвестны, согласно прогнозам, приведенная стоимость энергии (LCOE) в рамках европейской концепции термоядерного синтеза DEMO составит 121 доллар США за МВтч. [13]
Более того, экономисты предполагают, что термоядерная энергия становится дороже на 16,5 долларов за МВт-ч на каждый миллиард долларов увеличения цены термоядерной технологии. [10] Столь высокая LCOE во многом является результатом высоких капитальных затрат, понесенных при строительстве термоядерных установок. [10]
Напротив, LCOE возобновляемых источников энергии оказывается значительно ниже. Например, LCOE солнечной энергии составляет 40–46 долларов США за МВтч, береговой ветер оценивается в 29–56 долларов США за МВтч, а морской ветер составляет примерно 92 доллара США за МВтч. [14] Таким образом, эти экономически эффективные варианты кажутся более экономически жизнеспособными. [10]
Однако это не означает, что термоядерная энергия может не иметь полной экономической жизнеспособности. Скорее, термоядерная энергия, скорее всего, восполнит энергетические пробелы, которые возобновляемые источники энергии не могут заполнить. [10] Таким образом, термоядерная энергия, скорее всего, будет работать в тандеме с возобновляемыми источниками энергии, а не станет основным источником энергии. [10] Тем не менее, в тех случаях, когда возобновляемая энергия может быть недоступна, термоядерная энергия может стать доминирующим источником энергии и обеспечивать базовую нагрузку электрической сети в этих конкретных географических регионах. [10]
Безопасность
[ редактировать ]По состоянию на 2021 год в международном сообществе предложены следующие цели безопасности: Защита населения и окружающей среды от радиологической опасности . [15] и обеспечение того, чтобы протоколы безопасности термоядерного реактора были такими же конкурентоспособными и всеобъемлющими, как и протоколы безопасности реактора деления. [15]
Эти две цели определяются с использованием принципа приемлемых рисков и могут быть дополнительно разбиты на подкатегории, такие как, помимо прочего, профессиональное радиационное воздействие , регулярные выбросы радиоактивных материалов , реагирование и минимизация аварий и радиоактивные отходы . [15]
Ядерная безопасность высоко ценится китайским правительством , хотя на сегодняшний день в Китае не существует всеобъемлющей системы безопасности ядерного синтеза. [16] по состоянию на 2019 год протоколы безопасности, соблюдаемые в Китае, основаны на технологии реакторов деления; они изложены в Законе Китайской Народной Республики о предотвращении и контроле радиоактивного загрязнения (2003 г. ), Законе о ядерной безопасности (2017 г.) и Положениях о безопасной эксплуатации исследовательских реакторов (HAF202). [17] Хотя они полезны для изложения общих соображений ядерной безопасности, они не касаются конкретно термоядерного реактора. Кроме того, в отличие от реакторов деления, у CFETR нет активной зоны реактора . Следовательно, эти законодательные акты необходимо обновить, чтобы учесть конструкцию и механизмы термоядерных реакторов. [16]
Более того, хотя широко признано, что термоядерная энергия будет безопаснее, чем деление, благодаря механизму плазменного охлаждения устройства типа токамака , который охлаждает реактор и останавливает реакции при нарушениях в системе, полагаться только на этот идеал и механизм недостаточно. . [17] Вместо этого необходимо соответствующим образом определить и идентифицировать параметры возмущений, чтобы предотвратить потенциальный выброс радиоактивных материалов в случае нарушений или отказа системы. [15] Поэтому необходимо тщательно продумать соответствующие меры безопасности. Более того, тритий является ограниченным радиоактивным изотопом . Таким образом, радиоактивная природа трития может оказаться опасной в случаях гипотетического случайного выброса при отказе системы двойного заключения. [16] Таким образом, при таких обстоятельствах территории, прилегающие к CFETR, придется эвакуировать, и пройдет 32–54 года, прежде чем семьи смогут вернуться в свои первоначальные дома. [17] Однако инженеры ЦФЭТР проектируют нынешний реактор по критерию безэвакуации. [17] Таким образом, технические инженеры должны разработать конструкцию, которая защитит от катастрофического отказа термоядерного реактора, который потребует эвакуации. [17]
По состоянию на ноябрь 2020 года Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) начало работать с различными странами над созданием стандартов безопасности термоядерных реакторов для различных конструкций термоядерных реакторов. [18] Более того, они начали изучать соответствующие правила дозирования, а также способы обращения с радиоактивными отходами термоядерной энергии и их надлежащей утилизации. [18]
Отходы
[ редактировать ]Ожидается, что повреждение нейтронного излучения в стенках твердого корпуса будет больше, чем у реакторов деления, из-за более высоких энергий нейтронов. [19] Более того, это повреждение в сочетании с большими объемами гелия и водорода, образующимися внутри судна, вероятно, приведет к усталости инфраструктуры, тем самым потенциально повреждая судно, а также превращая судно в радиоактивный металл и, следовательно, в радиоактивные отходы . [19] Более того, ученые предположили, что многие неструктурные компоненты станут очень радиоактивными . [20]
Тем не менее, важно признать, что радиоактивность на килограмм отходов для термоядерного реактора будет существенно ниже, чем для реактора деления. [19] Хотя природа реакции синтеза дейтерия и трития такова, что она, вероятно, приведет к образованию больших объемов радиоактивных структурных и неструктурных отходов, [19] Эту проблему можно обойти с помощью разработки сплавов с низкой активационной структурой, чтобы гарантировать, что эти выброшенные материалы квалифицируются как низкоактивные отходы . [20] Однако с учетом имеющихся в настоящее время технологий более вероятным результатом является разработка конструкционных сплавов промежуточной активации. [20] Это приведет к образованию радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности .
Тем не менее, важно отметить, что период полураспада радиоактивности таких отходов составляет 12,3 года, и поэтому они будут оставаться радиоактивными примерно в течение <100 лет, по сравнению с радиоактивными отходами деления, которые остаются высокорадиоактивными в течение примерно 1000 лет. [19] Более того, инженеры CFETR намерены ограничить выпуск радиоактивных отходов среднего и низкого уровня путем внедрения систем обращения с тритиевыми отходами. [21] Это имеет двойной эффект: извлечение трития для повторного использования в машине и снижение радиоактивности отходов, образующихся в термоядерном реакторе. [4]
Будущее
[ редактировать ]4 декабря 2020 года HL-2M нагрелась примерно до 150 миллионов градусов по Цельсию, что в десять раз выше, чем ядро Солнца . [22] Успешное строительство и эксплуатация HL -2M в SWIP, вероятно, послужили толчком для перехода CFETR на этап строительства с нынешнего этапа инженерного проектирования. [19]
Поскольку Китай активно переходит к развитию своего сектора возобновляемой и устойчивой энергетики, вопрос о строительстве CFETR заключается не в том, произойдет ли это, а в том, когда. [19] Согласно нынешнему графику синтеза, этап строительства CFETR, вероятно, начнется в начале 2020-х годов, а промышленный прототип, вероятно, будет завершен к 2035 году, а широкомасштабное коммерческое применение — к 2050 году. [19] Более того, к 2025 году Китай, как ожидается, достигнет мощности атомной энергетики в 79 ГВт. Для достижения этой цели в 14-м пятилетнем плане Китая (2021-2025 гг.) большое внимание уделяется строительству ядерных объектов, поскольку страна движется к углеродной нейтральности . [19]
См. также
[ редактировать ]- Экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (ВОСТОК)
- Атомная энергетика в Китае
- кстар
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Фрейдберг, JP; Манджаротти, Ф.Дж.; Минервини, Дж. (01 июля 2015 г.). «Проектирование термоядерного реактора токамак: как сюда вписывается физика плазмы?» . Физика плазмы . 22 (7): 070901. Бибкод : 2015PhPl...22g0901F . дои : 10.1063/1.4923266 . hdl : 1721.1/111207 . ISSN 1070-664X . ОСТИ 1547016 . S2CID 117712932 .
- ^ Доши, Бхарат; Редди, Д. Ченна (апрель 2017 г.). «Аспекты безопасности и окружающей среды термоядерного энергетического реактора токамак – обзор» . Физический журнал: серия конференций . 823 (1): 012044. Бибкод : 2017JPhCS.823a2044D . дои : 10.1088/1742-6596/823/1/012044 . ISSN 1742-6596 .
- ^ Jump up to: а б Синь, Чжэн (2021). «Искусственное солнце» может сделать термоядерный синтез реальностью. Атомная энергетика сыграет ключевую роль в планах Китая по чистой энергетике . China Daily — Гонконгское издание . Архивировано из оригинала 22 января 2023 г. Проверено 1 июня 2021 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Ван, Цзянган; Ван, Сяолинь; Чэнь, Чанган, Суру; Гао, Сян; Лю, Сунлин (2017-06-2017). . «Обзор текущего прогресса и деятельности по CFETR» . Nuclear Fusion . 57 : 102009. Bibcode : 2017NucFu..57j2009W . doi : /aa686a . 6138788 ( 10 ) 10.1088 / 1741-4326
- ^ Jump up to: а б с д «Дорожная карта Китая по термоядерному синтезу - Nuclear Engineering International» . www.neimagazine.com . 3 октября 2019 года . Проверено 1 июня 2021 г.
- ^ Ли, Цзянган; Ван, Юаньси (01 февраля 2019 г.). «Современное состояние развития китайского магнитного синтеза и планы на будущее» . Журнал термоядерной энергетики . 38 (1): 113–124. дои : 10.1007/s10894-018-0165-2 . ISSN 1572-9591 . S2CID 254650020 .
- ^ Jump up to: а б с д Чжуан, Г.; Ли, GQ; Ли, Дж.; Ван, YX; Лю, Ю.; Ван, XL; Сонг, ЮТ; Чан, В.; Ян, QW; Ван, Б.Н.; Дуань, XR (05.06.2019). «Ход проектирования CFETR» . Ядерный синтез . 59 (11): 112010. Бибкод : 2019NucFu..59k2010Z . дои : 10.1088/1741-4326/ab0e27 . ISSN 0029-5515 . S2CID 127585754 .
- ^ Jump up to: а б с Чжан Жуй (24 декабря 2020 г.). «Теперь в Хэфэе расположены крупные научно-технические объекты — China.org.cn» . www.china.org.cn . Проверено 1 июня 2021 г.
- ^ Jump up to: а б с д Цзайсинь; Чжу, Цзуэли; Ни, Ли, Фэнчэн (2019). Не, Баоцзе; Цзэн, Цинь; Ли , и самодостаточность термоядерной энергии: случай CFETR» . Energy Science & Engineering . 7 (2): 457–468. Bibcode : 2019EneSE...7..457N . doi : 10.1002/ese3.291 . ISSN 2050- 0505 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Николай, ТЭГ; Дэвис, ТП; Федеричи, Ф.; Лиланд, Дж. Э.; Патель, бакалавр наук; Винсент, К.; Уорд, Швейцария (февраль 2021 г.). «Пересмотр роли ядерного синтеза в энергетической структуре, основанной на возобновляемых источниках энергии». Энергетическая политика . 149 : 112043. arXiv : 2101.05727 . Бибкод : 2021EnPol.14912043N . doi : 10.1016/j.enpol.2020.112043 . S2CID 230570595 .
- ^ «Глобальные энергетические перспективы 2019» . Energy Insights – Mckinsey . Архивировано из оригинала 18 апреля 2019 г.
- ^ «Приведенная стоимость энергии + на 2023 год» . Лазард. 12 апреля 2023 г. с. 9. Архивировано из оригинала 27 августа 2023 г. (ссылка для скачивания с надписью «Lazard's LCOE+ (апрель 2023 г.) (1) PDF — 1 МБ»).
- ^ Энтлер, Славомир; Горачек, Ян; Длоуи, Томас; Досталь, Вацлав (01.06.2018). «Приближение экономики термоядерной энергии» . Энергия . 152 : 489–497. Бибкод : 2018Ene...152..489E . дои : 10.1016/j.energy.2018.03.130 . ISSN 0360-5442 .
- ^ «Приведенная стоимость энергии и приведенная стоимость хранения, 2019 г.» . Lazard.com . Архивировано из оригинала 19 февраля 2023 г. Проверено 1 июня 2021 г.
- ^ Jump up to: а б с д Ван, Чжэнь; Чен, Жибин; Чен, Чао; Ге, Даочуань; Перро, Дидье; Зуккетти, Массимо; Субботин, Михаил (13 января 2021 г.). «Количественные цели безопасности термоядерных электростанций: обоснование и предложения» . Международный журнал энергетических исследований . 45 (6): 9694–9703. Бибкод : 2021IJER...45.9694W . дои : 10.1002/er.6399 . ISSN 0363-907X . S2CID 234153700 .
- ^ Jump up to: а б с Шэнь, Синьюань, Чжибин; Ван, Хайся; Гэ, Даочуань; Цзян, Цзецюн; Ю, Цзе, Ицань; . «Регуляторная база безопасности для термоядерных реакторов в Китае» Международный водородной энергетики . журнал . Бибкод : ...4422704S . doi : 10.1016/ . j.ijhydene.2019.03.070 2019IJHE -3199 . S2CID 132539839 .
- ^ Jump up to: а б с д и Не, Баоцзе; Цзян, Ман; Ни, Муйи; Ли, Фэнчен (01 марта 2019 г.). «Предварительные соображения по поводу радиации окружающей среды для CFETR» . Термоядерная инженерия и дизайн . 140 : 16–22. Бибкод : 2019FusED.140...16N . дои : 10.1016/j.fusengdes.2019.01.119 . ISSN 0920-3796 . S2CID 127532912 .
- ^ Jump up to: а б «Безопасность в Fusion» . www.iaea.org . 28 мая 2021 г. Проверено 1 июня 2021 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я «Термоядерные реакторы: это не то, чем их называют» . Бюллетень ученых-атомщиков . 19 апреля 2017 г. Проверено 1 июня 2021 г.
- ^ Jump up to: а б с Бейли, GW; Вильховская, О.В.; Гилберт, MR (январь 2021 г.). «Ожидание отходов в отношении плавленых сталей в соответствии с текущими критериями захоронения отходов» . Ядерный синтез . 61 (3): 036010. Бибкод : 2021NucFu..61c6010B . дои : 10.1088/1741-4326/abc933 . ISSN 0029-5515 . S2CID 228862229 .
- ^ Чен, Хунли; Пан, Лей; Льв, Чжунлян; Ли, Вэй; Цзэн, Цинь (01 мая 2016 г.). «Моделирование тритиевого топливного цикла и анализ воспроизводства трития для CFETR» . Термоядерная инженерия и дизайн . 106 : 17–20. Бибкод : 2016FusED.106...17C . дои : 10.1016/j.fusengdes.2016.02.100 . ISSN 0920-3796 .
- ^ «Китай включает «искусственное солнце» на атомной энергии (обновление)» . физ.орг . Проверено 1 июня 2021 г.
Термоядерная энергия , процессы и устройства |
|---|
