Синтез тяжелых ионов

Синтез тяжелых ионов — это концепция термоядерной энергии , в которой используется поток высокоэнергетических ионов из ускорителя частиц для быстрого нагрева и сжатия небольшой гранулы термоядерного топлива. Это подкласс более крупного подхода инерционного термоядерного синтеза (ICF), заменяющего более типичные лазерные системы ускорителем.

Ускорители потенциально могут быть гораздо более эффективными с точки зрения доставки энергии в топливную таблетку; типичные лазерные «драйверы» имеют общий КПД порядка 1%, тогда как системы с тяжелыми ионами стремятся к 30% и более. Кроме того, они могут производить импульсы энергии много раз в секунду, в то время как существующие высокоэнергетические лазерные системы требуют длительных периодов охлаждения между «выстрелами». Эти преимущества будут полезны в коммерческих целях, поскольку они значительно снизят стоимость эксплуатации и несколько снизят стоимость строительства установки по сравнению с лазерной системой.

Основная концепция предлагалась время от времени до 1970 года с использованием либо электронов, либо протонов. Фундаментальные ограничения на фокусировку луча с помощью электронов и тормозной путь протонов привели к концепции использования тяжелых ионов, более высокая масса которых позволяет им оставаться более сфокусированными и быстрее останавливаться. Крупная встреча в 1976 году привела к быстрому распространению этой концепции в конце 1970-х - начале 1980-х годов. В конце 1970-х годов синтез тяжелых ионов (HIF) описывался как «консервативный подход» к работающему термоядерному реактору. Дальнейшая работа завершилась созданием проекта HYLIFE-II, подготовленного в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) в начале 1990-х годов.

С тех пор, несмотря на продолжающийся интерес, не было создано ни одного крупномасштабного экспериментального устройства, использующего этот подход. Его недостатком является то, что ускорители с необходимой энергией могут быть построены только большого размера, порядка километров, что затрудняет испытания с помощью недорогих систем. Напротив, даже небольшие лазеры могут достичь желаемых условий, поэтому они остаются в центре внимания подхода ICF.

Фон

Основы фьюжн

Основная статья: Ядерный синтез

Синтез происходит, когда атомы оказываются в непосредственной близости, и ядерная сила стягивает их вместе, образуя одно большее ядро . Противодействует этому процессу положительный заряд ядер, которые отталкиваются друг от друга за счет электростатической силы . Чтобы произошел термоядерный синтез, ядра должны иметь достаточно энергии, чтобы преодолеть этот кулоновский барьер . Барьер снижается для атомов с меньшим положительным зарядом и для атомов с наименьшим количеством протонов . Ядерная сила увеличивается за счет дополнительных нуклонов, общего числа протонов и нейтронов . Это означает, что комбинация дейтерия и трития имеет самый низкий кулоновский барьер, около 100 кэВ (см. требования для термоядерного синтеза ), поскольку они содержат один протон и один или два нейтрона.

Когда топливо нагревается до высоких энергий, электроны отделяются от ядер, оставляя отдельные ионы и электроны смешанными в газообразную плазму . Частицы в газе распределены в широком диапазоне энергий, известном как распределение Максвелла-Больцмана . При любой данной температуре большинство частиц имеют более низкие энергии, а « длинный хвост » содержит меньшее количество частиц с гораздо более высокими энергиями. Таким образом, хотя порог в 100 кэВ соответствует температуре более одного миллиарда градусов, для того, чтобы произвести термоядерный синтез, топливо не обязательно должно нагреваться до этой температуры в целом; некоторые реакции будут протекать при более низких объемных температурах из-за небольшого количества частиц высокой энергии в смеси.

Реакции синтеза выделяют большое количество энергии, и часть этой энергии будет отложена обратно в топливо, нагревая его. Существует критическая температура, при которой скорость реакций и, следовательно, энергия, запасенная в топливе, уравновешивает потери в окружающую среду за счет улетучивания частиц и радиации. В этот момент реакция становится самоподдерживающейся, эта точка известна как воспламенение . Для топлива DT самонагревание происходит преимущественно за счет альфа-частиц , а соответствующая температура составляет от 50 до 100 миллионов градусов. Общая скорость синтеза зависит от комбинации температуры, плотности и времени удержания энергии, известной как тройной продукт синтеза .

Термоядерные реакторы

были разработаны два основных подхода Для решения проблемы термоядерной энергии . Наиболее широко изученным подходом является магнитное удержание . Поскольку плазма электрически заряжена, она будет следовать магнитным силовым линиям, и подходящее расположение полей может удерживать топливо подальше от стенок контейнера. Затем топливо нагревается в течение длительного периода времени. При плотностях, которые возможны при использовании магнитов, процесс синтеза происходит довольно медленно, поэтому этот подход требует длительного времени удержания, порядка десятков секунд. Удержать газ при температуре в миллионы градусов в таком масштабе времени оказалось сложно, хотя современные экспериментальные машины приближаются к условиям, необходимым для производства чистой энергии или безубыточности .

Второй основной подход – инерционное удержание . Альфа-излучения реакций термоядерного синтеза перемещаются на расстояние, которое зависит от плотности топлива. При низкой плотности магнитного реактора, которую часто называют «хорошим вакуумом», она может составлять порядка многих метров. но при очень высоких плотностях оно сильно уменьшается, вплоть до микронов . Инерционный подход использует этот эффект, сжимая топливо до чрезвычайно высокой плотности, после чего крошечной капли топлива порядка миллиграммов будет достаточно, чтобы обеспечить воспламенение. Кроме того, коллапс вызывает повышение температуры топлива в результате адиабатического процесса , обеспечивая два из трех входов тройного продукта.

Попыток поддерживать эти условия в течение какого-либо значительного периода времени не предпринимается, топливо взрывается наружу вскоре после окончания импульса возбуждения, замедляясь только инерцией частиц. Время удержания составляет порядка микросекунд, поэтому температура и плотность должны быть очень высокими, чтобы сколько-нибудь заметное количество топлива могло подвергнуться синтезу. Этот подход оказался успешным при проведении реакций синтеза, но на сегодняшний день устройства, которые могут обеспечить сжатие, обычно лазеры , требуют гораздо больше энергии, чем производят реакции.

Детали МКФ

В процессе ICF есть два отдельных эффекта: один — сжимать топливо так, чтобы альфа-группы захватывались им, а второй — нагревать топливо до температур, необходимых для начала реакции. Чтобы эффективно улавливать альфа-группы, желательна плотность примерно в 1000 раз выше плотности воды. для чего требуется энергия пучка около 10 ⁷ Джоули на грамм (Дж/г) целевой массы. Напротив, для нагрева топлива до температур термоядерного синтеза требуется около 10 ⁹ Дж/г. По этой причине были предприняты усилия по созданию способов отдельного нагрева топлива; Типичное решение состоит в том, чтобы сформировать подачу энергии так, чтобы создать короткий период более высокой энергии, создавая ударную волну, которая распространяется на сжимающееся топливо. Это известно как «возгорание в горячей точке».

Схема этапов МКФ. Синие стрелки представляют водителя; оранжевый – обдув; фиолетовый — это тепловая энергия, переносимая внутрь.

1. Ионы или рентгеновские лучи быстро нагревают поверхность мишени, образуя окружающую плазменную оболочку.
2. Топливо сжимается из-за ракетного срыва поверхности и продолжающегося приходящего излучения.
3. Во время заключительной части взрыва ядро ​​достигает плотности, в 1000 раз превышающей плотность воды, и воспламеняется.
4. Горение термоядерного синтеза быстро распространяется по сжатому топливу, выделяя во много раз больше входной энергии.

На сегодняшний день в большинстве систем ICF в качестве «драйвера» используются лазеры. В простом случае, когда лазер направляется прямо на топливную мишень, известном как «прямой привод», тепло, создаваемое лазером, вызывает взрыв внешнего слоя пластиковой капсулы наружу. Согласно третьему закону Ньютона , внутренняя часть капсулы смещается внутрь. Прямой привод накладывает очень жесткие ограничения на время фокусировки и доставки, и его трудно достичь. По этой причине в большинстве крупных устройств ICF используется процесс «непрямого привода», при котором водитель нагревает металлический цилиндр, известный как «хольраум», настолько горячим, что он начинает испускать рентгеновские лучи , которые, в свою очередь, освещают капсулу, подвешенную внутри. . Это позволяет процессу нагрева происходить в течение более длительного периода и снижает необходимость такой жесткой фокусировки, но имеет тот недостаток, что большая часть исходной энергии луча используется для нагрева цилиндра и не способствует взрыву.

Диаграмма Сэнки связи энергии лазера и Хольраума рентгеновского излучения с энергией целевой капсулы. Обратите внимание, что «лазерная энергия» получается после преобразования в УФ-излучение , при этом теряется около 50% исходной ИК- мощности. При преобразовании рентгеновского тепла в энергию топлива теряется еще 90% — из 1,9 МДж ультрафиолетового света только около 10 кДж попадает в само топливо.

Подача импульса с необходимыми уровнями энергии и временем является серьезной проблемой. На сегодняшний день энергетические потребности обычно удовлетворяются с помощью сложных лазеров на фосфатном стекле, легированном неодимом , общий КПД которых составляет около 1%. Оптические системы, необходимые для фокусировки и управления лучом, отводят дополнительно 50% энергии, а в случае непрямого привода значительная часть оставшейся энергии теряется на нагрев металлического цилиндра. Для Национальной установки зажигания , самой крупной и мощной системы ICF на сегодняшний день, только около 10–14 кДж из первоначальных 4 МДж исходной энергии лазера достигают цели. для выработки которого потребовалось 422 МДж электроэнергии.

Чтобы реакции синтеза производили достаточно энергии, соответствующей исходной энергии лазера, он должен будет производить не менее 4 МДж, а по практическим соображениям - как минимум в три раза больше, что подразумевает соотношение входной энергии лазера к выходной термоядерной энергии. энергия, или прирост должен быть порядка сотен или тысяч. На сегодняшний день рекорд НИФ составляет 1,3 МДж термоядерного синтеза при мощности лазера в 2 МДж. от 422 МДж электроэнергии, поэтому крайне маловероятно, что нынешний подход когда-либо будет использован для производства электроэнергии.

Альтернативные драйверы

В 1963 году Фридвардт Винтерберг представил концепцию воспламеняющего термоядерного синтеза с использованием небольших групп частиц, ускоренных примерно до 200 км/с, — концепцию, которая теперь известна как кластерный ударный синтез . Эта концепция не похожа на современную ICF, поскольку ускоренные частицы предназначены для непосредственного синтеза, а не используются исключительно в качестве движущей силы, как в концепции ICF. Публикация нескольких статей, связанных с ICF, в конце 1960-х годов побудила Винтерберга опубликовать статью 1968 года, в которой описывается использование ускоренных электронов или ионов вместо лазерных систем в устройстве ICF.

Эл Машке, работающий в (AGS) Брукхейвенской национальной лаборатории , синхротроне переменного градиента предложил использовать протонный синхротрон, такой как AGS, в качестве основы для драйвера ICF. Это может обеспечить желаемую энергию при относительно небольших модернизациях. Однако дальнейшее исследование выявило проблему с этим подходом; луч будет чрезмерно расходиться из-за отталкивания одноименных зарядов, и будет трудно получить интенсивность, необходимую для ICF. Кроме того, протоны будут останавливаться внутри топливной мишени на разных глубинах, что затруднит контроль динамики взрыва. Обе эти проблемы побудили Машке примерно в 1975 году предложить перейти от протонов к более тяжелым ионам, таким как цезий, ксенон, ртуть или свинец. В начале 1976 года Деннис Киф предположил, что для этой цели подойдет линейный индукционный ускоритель.

Значительным событием в истории HIF стала двухнедельная встреча в июле 1976 года в отеле Claremont в Беркли, Калифорния, где идеи Машке изучали около пятидесяти участников из всех основных лабораторий по ускорителям частиц, термоядерных лабораторий и университетов. Их отчет о встрече показал, что не было никаких тревожных вопросов и что потенциал этой концепции предполагает более детальное исследование. Результатом этого стало проведение нескольких последующих исследований в Брукхейвене в 1977 году, в Аргонне в 1978 году и в Окленде в 1979 году. все со схожими многообещающими результатами. В обзоре всей области ICF в мае 1979 года Джон С. Фостер-младший пришел к выводу, что HIF был лучшим выбором для термоядерного реактора ICF, «если вы хотите применить консервативный подход».

После дальнейших споров в 1983 году Министерство энергетики наконец убедили предоставить некоторое финансирование для создания официальной организации для управления этими усилиями - Исследовательской программы ускорителей термоядерного синтеза тяжелых ионов, или HIFAR. В течение следующего десятилетия группа HIFAR в Лоуренсе Беркли, наряду с аналогичными группами в Лоуренсе Ливерморе и других местах, продолжала изучение базовой концепции. Исследования продолжались в течение следующего десятилетия, в результате чего были предложены две комплексные конструкции электростанции: HYLIFE и HYLIFE-II.

Еще один взгляд

В тот же период классический лазерный подход к ICF претерпел ряд существенных неудач. Большая часть прогнозируемых характеристик этих конструкций была основана на компьютерном моделировании с использованием таких программ, как LASNEX . Ранние симуляции предполагали, что некоторый выигрыш в термоядерном синтезе можно ожидать даже при относительно низких энергиях пучка, порядка 10 кДж, но когда это предсказание было проверено в системе Шива , множество непредвиденных проблем резко снизили производительность примерно в 10 000 раз. Обновления LASNEX предполагали, что для этого подойдет более крупная система мощностью в несколько сотен кДж, но полученная система Nova , построенная в таком масштабе, вместо этого продемонстрировала еще один набор серьезных проблем и снова не оправдала прогнозов.

Эксперименты с использованием ядерного оружия в качестве двигателя вместо лазера, входящего в состав Halite/Centurion , показали, что требуются значительно более высокие энергии, возможно, до 100 МДж, что значительно превышает возможности любой лазерной системы. Даже в лучшем случае, с различными достижениями в форме цели и времени энергетического импульса, потребуется не менее 2 МДж. прирост энергии термоядерного синтеза порядка Q = 100, даже если игнорировать все механизмы потерь. Для питания лазеров потребуется около 200 МДж электроэнергии, поэтому для балансировки энергии потребуется

Эта серия событий привела к возобновлению интереса к HIF. Поскольку эффективность драйвера была намного выше, требуемый коэффициент усиления был соответственно ниже, порядка Q = 10. Меньшее усиление означало гораздо менее требовательную динамику имплозии, а также менее мощные взрывы, которые можно было сдержать в меньшем устройстве. С конца 1990-х годов в лабораториях по всему миру продолжает создаваться довольно непрерывный поток статей по этой теме, а также проводятся небольшие эксперименты с подходящими ускорителями.

Текущий статус

Практической проблемой подхода HIF является тот факт, что для подачи правильной энергии и времени ускоритель должен быть большим. Хотелось бы, чтобы большинство ионов останавливались примерно в одном и том же месте мишени, чтобы обеспечить симметричный эффект. Для этого энергия ионов должна быть весьма точной. В случае с широко используемым типом ионов, например, свинцом, эта энергия составляет около 8 ГэВ, что позволяет ионам останавливаться на среднем расстоянии 1 мм и при этом доставлять достаточно энергии мишени. Ускоритель, способный дать ионам свинца такой уровень энергии, не является ни маленьким, ни дешевым, даже для небольшого количества ионов, что затрудняет его производство в небольших устройствах.

Напротив, лазеры с требуемыми характеристиками могут быть созданы практически в любом масштабе. Это основная причина того, что HIF не получил развития; самая маленькая машина все равно остается довольно большой и дорогой. В целях разработки лазеры будут проще и дешевле, но в конечном итоге будут работать аналогичным образом с точки зрения физики имплозии. Тем не менее, по мере продолжения реализации лазерной программы ICF, она продемонстрировала, что требуются все более крупные драйверы, кульминацией чего стал NIF, который при стоимости около 4 миллиардов долларов и размере двух футбольных полей не является ни маленьким, ни недорогим.

В 2003 году Министерство энергетики решило сосредоточить все свои усилия ICF на программе NIF, поскольку многие проекты после NIF будут основываться на ее результатах. Планы по различным меньшим концепциям испытаний для программы HIF в то время в основном закончились.

Описание

Целевая физика

Энергия, необходимая для сжатия мишени ICF до необходимой плотности, составляет около 10 ⁷ Дж/г, поэтому для небольших количеств топлива порядка 1 мг потребность в энергии составляет около 10 кДж. Однако для нагрева топлива до температуры синтеза требуется дополнительная энергия, одного сжатия будет недостаточно примерно до 10 ⁹ Дж/г. Это приводит к появлению различных механизмов, позволяющих снизить это требование примерно до 10. ⁸ Дж/г, и, таким образом, всего около 100 кДж на 1 мг топлива. Различные механизмы потерь во время сжатия теряют около 90% этой энергии, поэтому мощность драйверов должна быть порядка 1 МДж.

В 1970-х годах, когда эта концепция впервые рассматривалась, самые мощные ускорители, обычно использующие электроны или протоны, ускоряли небольшое количество частиц до высоких энергий. Те, которые могли достичь энергии 1 МДж, обычно делали это с протонами с энергией около 20 ГэВ. Эти высокорелятивистские частицы проходят сквозь небольшие объекты, не замедляясь, что делает их непригодными для ICF. В идеале водитель хотел бы использовать гораздо большее количество частиц с более низкой энергией, которые будут останавливаться быстрее. При нерелятивистских энергиях, менее 20 МэВ, у них есть разумный шанс остановиться в небольшом объекте. При таких энергиях количество частиц, или «светимость», необходимое для доставки необходимой энергии, выходит далеко за пределы любой существующей технологии.

Переход к более тяжелым частицам имеет некоторое преимущество с точки зрения снижения скорости, поскольку энергия = ⁠ 1 / 2 ⁠ mv ² , но масса линейна с энергией, а скорость квадратична, поэтому уменьшение скорости невелико. Ключевым преимуществом является то, как частицы замедляются внутри мишени. Когда они проходят мимо атомов мишени, их электрический заряд ионизирует атомы мишени, и именно эти взаимодействия замедляют частицу в процессе рассеяния, известном как кулоновское столкновение . Любопытным эффектом при кулоновском столкновении является пик Брэгга, вызванный замедлением иона вблизи конца его траектории. Этот эффект означает, что когда ионы попадают в вещество, большинство из них откладывается на четко определенном расстоянии. При любом выбранном тормозном пути и выбранной энергии частицы тяжелый ион остановится на расстоянии примерно на три порядка меньшем, чем протон, что значительно упрощает организацию системы.

Целевой дизайн

Как и в случае с ICF с лазерным приводом, HIF может быть построен с использованием концепции прямого или косвенного привода. и основные причины использования того или другого одни и те же; прямой привод требует гораздо более высокой точности луча от драйвера, но передает около 15% энергии от драйвера к топливу, в то время как непрямой привод менее критичен к расположению и времени луча, передавая только около 5% энергии к цель.

В случае непрямого привода система практически идентична системе с лазерным приводом, различия заключаются в основном в конструкции Хольраума. В лазерных устройствах хольраум имеет форму открытых цилиндров, лазерные лучи проникают через концы и на внутренние стенки. В случае с ионным драйвером тормозной путь приведет к захвату рентгеновских лучей внутри стенок хольраума. Вместо этого хольраум имеет форму тонкой оболочки, обычно яйцевидной формы, с подвешенными внутри небольшими металлическими пластинами. Стенка хольраума достаточно тонкая, чтобы быть невидимой для лучей, которые вместо этого ударяются о более толстые пластины, нагреваясь до тех пор, пока они не начинают испускать рентгеновские лучи, заполняющие оболочку. Затем рентгеновские лучи вызывают разрушение топливной капсулы точно так же, как и корпус лазера. Однако в этом случае у драйвера HIF есть одно преимущество, поскольку он может быстро генерировать колебания на высоких частотах, что позволяет перемещать лучи внутри хольраума для выравнивания нагрева. Образование горячих точек на стенках хольраума оказалось проблемой в лазерных устройствах, которой можно было бы избежать.

Поскольку тормозной путь ионов составляет порядка 1 мм, мишени для HIF с прямым приводом обычно больше и намного толще, чем мишени в лазерных системах. Типичная конструкция имеет радиус около 4 мм, с внешним слоем из свинца или золота, толкателем из более легкого металла, такого как алюминий, а затем тонким слоем топлива DT, примороженным к внутреннему слою алюминия. Внутреннее ядро, около 2,8 мм, пустое. Такая конструкция с более высокой плотностью снаружи и легче внутри является формулой нестабильности Рэлея-Тейлора (RT), поэтому мишени и освещение должны быть чрезвычайно однородными. Учитывая освещенность, предполагается, что потребуется от 16 до 32 лучей. В некоторых конструкциях капсул добавляется тонкий слой пены для смягчения сжатия и уменьшения RT.

Серьезной проблемой ранних систем ICF было то, что лазерные импульсы были примерно однородны по времени. Было обнаружено, что эта энергия выделяется быстрее, чем она может быть поглощена капсулой, что приводит к нагреву топлива, а не к его простому выталкиванию. Это привело к современной концепции «ножки», начального периода с гораздо более низкой энергией, который начинает процесс драйвера, избегая предварительного нагрева, а затем «основного импульса», который следует ближе к концу процесса, который приводит к окончательному максимуму. -стадия сжатия. Из-за массы толкающего слоя весь процесс происходит медленнее, чем в лазерных системах, при этом импульс в целом длится около 35 нс, по сравнению, пожалуй, с 1 ⁄ 3 от лазерных импульсов.

Конструкция драйверов

Анимация, показывающая, как работает радиочастотный ускоритель. График V (x) показывает электрический потенциал вдоль оси ускорителя в каждый момент времени. Полярность ВЧ-напряжения меняется, когда ион проходит через каждый электрод, так что электрическое поле (стрелки) имеет правильное направление для его ускорения. Анимация показывает, как в каждом цикле ускоряется одна частица; в HIF большое количество частиц впрыскивается и ускоряется в каждом цикле.

Существует две основные концепции проектирования систем драйверов: команды США концентрируются на индукционных ускорителях, а европейские и японские команды — на радиочастотных ускорителях.

ВЧ-ускорители состоят из трубы с периодическими зазорами в ней, каждый из которых заключен в резонансную полость. Когда радиочастотный сигнал подается через зазор, каждый из них начинает резонировать на выбранной частоте. Это создает электрическую силу через зазор, которая ускоряет ионы вдоль трубы. Сигнал синхронизируется так, чтобы он достигал пика при прохождении группы ионов. Это означает, что он может ускорять только короткие импульсы ионов, и поэтому требуется какой-то способ объединить импульсы вместе.

Индукционные ускорители состоят из ряда соленоидов, расположенных вдоль линии луча. Каждый из них получает питание, когда ионы проходят через него, ускоряя их. Преимущество этого подхода заключается в том, что он позволяет обернуть ускорители вокруг нескольких лучей, ускоряя их все одновременно.

В любом случае потребность в очень большой мощности луча в очень коротких импульсах, а также необходимость фокусировать эти лучи примерно до 3 мм требуют ряда новых конструктивных факторов. Чтобы удовлетворить требованиям фокусировки, первоначальный источник ионов должен иметь очень низкий эмиттанс , распространение ионов в пространстве и скорость. По сути, это мера их случайного движения при создании, которое является функцией их температуры. Для обеспечения желаемого эмиттанса необходимо разработать новые низкотемпературные инжекторы.

Положительный электрический заряд ионов со временем отталкивает их друг от друга, что приводит к концепции предела пространственного заряда — максимального количества ионов в данном объеме, которые могут оставаться сфокусированными. Это значение намного ниже требований для создания импульса, сжимающего цель. В американских разработках эта проблема решается за счет наличия большого количества параллельных линий лучей, которые объединяются при приближении к целевой камере. Европейские конструкции отдают предпочтение использованию накопительных колец в этой роли . В обоих случаях первоначальный длинный импульс ионов сокращается по длине, образуя все более короткий импульс. Например, в одной американской конструкции первоначальный импульс имеет длительность 27 мкс и подвергается многократному сжатию, пока не достигнет 10 нс.

В любом варианте получающиеся конструкции получаются очень длинными. На иллюстрациях в США обычно используется изогнутая линия луча U-образной формы общей длиной порядка 1 километра (0,62 мили). Это главный недостаток подхода HIF; хотя для целей тестирования можно построить ускоритель с меньшим током пучка, отдельные ионы по-прежнему требуют той же энергии, и, таким образом, ускоритель будет такого же размера, как и версия с более высоким током для производственного реактора.

Преимущества перед лазерами

Использование ионов по сравнению с лазерами имеет значительные практические преимущества. Начнем с того, что лазеры, которые могут достигать желаемых уровней энергии, крайне неэффективны: порядка 1% подаваемой к ним электроэнергии превращается в фотоны в луче. Напротив, драйверы HIF передают в луч от 30 до 40% входной энергии. Это значительно облегчает требуемую производительность целевых показателей, если целью является производство чистой энергии; лазер мощностью 4 МДж требует примерно 400 МДж электрической энергии, а, учитывая, что современный генератор цикла Ренкина имеет эффективность около 40%, выходная мощность капсулы должна составлять не менее около 1 ГДж для перезарядки лазера. Напротив, ту же энергию пучка в 4 МДж можно получить с помощью HIF-драйвера мощностью 10 МДж, что потребует около 40 МДж термоядерной мощности, что является значительно более простой целью. Учитывая дополнительные потери в процессе, устройства HIF обычно нацелены на выигрыш порядка 50–70.

Еще одним существенным преимуществом конструкции HIF является ее способность быстро вести последовательный огонь. Стеклянные системы, используемые в лазерах, нагреваются при прохождении луча, заставляя их разбухать и расфокусироваться, и требуется некоторое время для охлаждения, прежде чем их можно будет снова использовать. На практике это ограничивает такие устройства, как NIF, возможно, несколькими «выстрелами» в день, и хотя это число можно увеличить за счет использования усовершенствованных систем охлаждения, они могут сократить время стрельбы до минут или, возможно, десятков секунд. Напротив, у HIF нет встроенных компонентов фокусировки или управления лучом, все это осуществляется магнитами, окружающими лучи. Это позволяет им вести непрерывный огонь со скоростью от 10 до 15 выстрелов в секунду. Это огромное преимущество в случае действующего предприятия, где время выстрела должно быть достаточно быстрым, чтобы результат выглядел относительно непрерывным.

Возможность электрического управления лучом дает значительные эксплуатационные преимущества. Небольшое управление лучом, или «колебание», полезно во время импульса для сглаживания энергии. В более длительных временных рамках необходимо учитывать непрерывное движение устройства из-за провисания и сейсмических событий на больших расстояниях перемещения балок. В лазерной системе это требует длительной перекалибровки, тогда как в случае HIF это можно легко и, возможно, выполнять постоянно путем небольших изменений полей в конечных управляющих магнитах. Это также можно использовать для направления лучей между совершенно разными реакционными камерами, что обеспечивает аварийное переключение и возможность последовательного обстрела разных камер, если желаемая частота импульсов выше, чем может быть очищена какая-либо одна камера.

Наконец, окончательная оптика, где лазер входит в реакционную камеру, подвержена прямому излучению термоядерных процессов, включая нейтроны высоких энергий и различные другие частицы и излучение. Это приводит к постоянной эрозии окон, что может вызвать серьезные проблемы с освещением высокой энергии. Это стало серьезной проблемой в устройствах ICF с лазерным управлением. Способность HIF легко управлять предлагает ряд простых решений этих проблем, позволяя изолировать лучи от реакций с помощью вращающихся механических заслонок или других концепций.

Экономика

В период с 1990-х по 2000-е годы было опубликовано несколько исследований по проектированию, чему способствовало все более качественное моделирование процесса ICF, а также постоянное совершенствование конструкции ускорителей. Ярким событием стала публикация в октябре 1990 года исследования HYLIFE-II по проектированию электростанции HIF, в которой расплавленный флюс используется для защиты стенок реакционной камеры, а также для получения трития в качестве топлива. Базовый проект мощностью 1 ГВт привел к ожидаемой приведенной стоимости электроэнергии (LCOE) в размере 9 центов/кВтч в долларах 1988 года, что эквивалентно 0,23 доллара США в 2023 году. Это не была конкурентоспособная фигура даже в то время. и система стала конкурентоспособной только тогда, когда реактор увеличился до очень большой мощности в 2 ГВт, что значительно ограничило бы ее коммерческую применимость. В документе делается вывод:

Чтобы быть конкурентоспособными с будущей угольной и атомной энергетикой LWR, стоимость электроэнергии необходимо снизить в 2 раза.

Более современный обзор приходит к тому же выводу:

Наконец, критически важными являются исследования, направленные на снижение затрат.

Ссылки

Библиография

• «Энергия ядерного синтеза» . Всемирная ядерная ассоциация . Февраль 2021.
• Бангертер, РОД; Фальтенс, А.; Зайдль, Питер (2013). «Ускорители для производства энергии инерционного термоядерного синтеза». Обзоры ускорительной науки и технологий . 6 : 85–116. дои : 10.1142/S1793626813300053 .
• Яррис, Линн (лето 1992 г.). «Сияние Fusion» . Обзор исследований LBL . 17 (2): 24–31.
• Сейфе, Чарльз (2008). Солнце в бутылке: странная история термоядерного синтеза и наука принятия желаемого за действительное . Пингвин. ISBN  978-1-101-07899-0 .
• Мартин, Рональд (1996). «Аль Машке и синтез тяжелых ионов». Термоядерная инженерия и дизайн . 32–33: 21–24. Бибкод : 1996FusED..32...21M . дои : 10.1016/s0920-3796(96)00447-4 .
• Берк, Роберт (1 июня 2010 г.). «Практическая, краткосрочная термоядерная мощь» . Физика сегодня . Том. 63, нет. 6. С. 59–60. дои : 10.1063/1.3455259 .
• Кавата, С.; Карино, Т.; Огойский А.И. (март 2016 г.). «Обзор физики инерционного синтеза тяжелых ионов». Материя и излучение в крайностях . 1 (2): 89–113. arXiv : 1511.06508 . дои : 10.1016/j.mre.2016.03.003 . S2CID   118412442 .
• Мойр, Ральф (4 октября 1990 г.). Проект термоядерного реактора с инерционным удержанием HYLIFE-II (технический отчет). Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса.
• Ротенберг, Мэриан (1 февраля 1978 г.). «Привлекает внимание синтез гранул с пучками тяжелых ионов» . Физика сегодня . 31 (2): 17, 19–20. Бибкод : 1978PhT....31b..17R . дои : 10.1063/1.2994914 .
• Хофманн, Инго (январь 2018 г.). «Обзор ядерного синтеза тяжелых ионов с использованием ускорителя» . Материя и излучение в крайностях . 1 (3): 1–11. дои : 10.1016/j.mre.2017.12.001 .
• «Учебное пособие по термоядерной энергии тяжелых ионов» . Национальная лаборатория Лоуренса Беркли . Июнь 2001 г. Архивировано из оригинала 26 августа 2015 г.
• Бангертер, РОД; Херрмансфельдт, Всемирный банк; Джадд, Д.Л.; Смит, Л., ред. (1976). Летнее исследование тяжелых ионов для инерционного синтеза ERDA (PDF) (Технический отчет). Лаборатория Лоуренса Беркли.
• Гольдхабер, Джудит (весна 1980 г.). «Вариант слияния» . Журнал новостей ЛБЛ . Том. 5, нет. 1.