Линус (эксперимент по термоядерному синтезу)

Техник смотрит в центр реактора НРЛ Линус-0.

Программа Линус ​ — экспериментальный проект термоядерной энергетики, разработанный Исследовательской лабораторией ВМС США (NRL) начиная с 1971 года. Целью проекта было создание контролируемой термоядерной реакции путем сжатия плазмы внутри металлического лейнера. Основная концепция сегодня известна как синтез намагниченных мишеней .

Конструкция реактора была основана на механическом сжатии расплавленной металлической футеровки. Камера заполнялась расплавленным металлом и вращалась вокруг одной оси, образуя цилиндрическую полость в центре. Подходящее термоядерное топливо, нагретое до нескольких тысяч градусов для формирования плазмы, впрыскивается в центр полости. Затем металл быстро схлопывается, и из-за сохранения магнитного потока внутри металла плазма удерживается внутри образовавшейся коллапсирующей оболочки и сама схлопывается. Адиабатический процесс повысит температуру и плотность захваченной плазмы до условий термоядерного синтеза .

Использование жидкометаллической гильзы имеет много преимуществ по сравнению с предыдущими советскими экспериментами, в которых цилиндрические твердые металлические гильзы взрывались для достижения синтеза с высокой плотностью энергии. Жидкометаллический лейнер обеспечивал возможность рекуперации тепловой энергии реакции, поглощения нейтронов, передачи кинетической энергии и замены стенки, обращенной к плазме, во время каждого цикла. Дополнительные преимущества жидкого лейнера включают значительно упрощенное обслуживание реактора, снижение радиоактивности, защиту постоянных секций реактора от нейтронного повреждения, и снижение опасности от летящих обломков.

Эта концепция была возрождена в 2000-х годах как основа для конструкции General Fusion , которая в настоящее время строится в Канаде.

Концептуальный дизайн

В концепции Линуса камера реактора состоит из барабана, заполненного футеровкой из жидкого металла, обычно из расплавленного свинца- лития . Барабан вращается, создавая центробежную силу , которая заставляет жидкость выталкиваться на внутреннюю стенку контейнера. Жидкого металла достаточно только для заполнения примерно 20% общего объема, поэтому во время вращения в середине образуется большая открытая область. Для работы используется система, обычно состоящая из поршней, для подачи дополнительного жидкого металла в барабан. Это приводит к тому, что весь вкладыш сдавливается внутрь. В экспериментальных системах это обеспечивало сжатие примерно десять к одному. Затем лишний металл снова удаляется путем отпускания поршней, в результате чего сжатие меняется на противоположное, и металл достигает исходного положения снаружи барабана.

термоядерного топлива Для создания термоядерного синтеза плазма впрыскивается в полость перед ходом поршня. Из-за магнитных взаимодействий в металле плазма в полости также вытесняется внутрь. Это сжатие приводит к увеличению температуры плазмы за счет адиабатического процесса , повышая ее до температуры и давления, необходимых для термоядерного синтеза, около 100 миллионов К и 10 ¹⁷ ионы на см ³ . При этих температурах и давлениях скорость плавления, согласно тройному произведению синтеза , очень высока и завершается до того, как механическое сжатие обратится вспять. Энергия, выделяющаяся в результате этих реакций, в случае типичного дейтерий - тритиевого (ДТ) топлива находится в основном в виде нейтронов высокой энергии около 14,1 МэВ. Они улавливаются жидким металлом, повышая его температуру. Некоторые нейтроны будут взаимодействовать с литием в лейнере, вступая в ядерную реакцию, в результате которой образуется новый тритий. В функционирующем реакторе энергия будет затем извлекаться с помощью парогенератора, как это происходит на обычных тепловых электростанциях, а тритий будет извлекаться посредством различных химических процессов.

Ключевым преимуществом концепции Линуса является то, что цикл сжатия является обратимым, в отличие от других концепций, в которых используются тонкие цельнометаллические оболочки, которые можно использовать только один раз. Это позволяет системе работать непрерывно, обычно ограничиваясь возможностью очистки результатов последней реакции, а также генерации и введения новой топливной плазмы в течение нескольких секунд. Кроме того, системы, использующие невращающиеся оболочки, подвержены нестабильности Рэлея-Тейлора , и их чрезвычайно трудно стабилизировать. Вращение жидкости в Линусе подавляет эти нестабильности. Наконец, металл защищает остальную часть реактора от нейтронного потока, что является серьезной проблемой в других конструкциях.

История

История Линуса в конечном итоге ведет свою историю с дискуссии между Рами Шэнни из Военно-морской исследовательской лаборатории США (НРЛ) и Евгением Велиховым из Курчатовского института .

Основная идея сверхсильных магнитных полей как пути к термоядерному синтезу была рассмотрена еще в 1950-х годах Андреем Сахаровым , который предложил взрывать металлические лайнеры для создания необходимого поля. Эта концепция не была подхвачена до 1960-х годов, когда Велихов начал небольшие эксперименты. Было понятно, что стоимость металлических лейнеров, вероятно, будет выше, чем стоимость производимой ими электроэнергии, «копейная проблема». и они рассмотрели идею использования вместо этого гильзы из жидкого металла.

Шэнни спросила, как такая система будет стабилизирована против проблем Рэлея-Тейлора. Велихов неправильно понял вопрос, думая, что спрашивает, как его можно стабилизировать против силы тяжести внутри барабана. Он ответил, что они его раскрутят. Шэнни, полагая, что Велихов говорил, что вращение решит проблемы Рэлея-Тейлора, выполнил расчеты и обнаружил, что оно действительно стабилизирует эти нестабильности. Родилась программа Линус.

Сьюзи я

Чтобы получить опыт работы с этой концепцией, NRL сначала построила имплодеры для лайнеров. Первым экспериментальным устройством стала Сюзи, построенная в 1971 году под руководством Д.С. ДеПакха. В системе использовались цельные металлические вкладыши, как в советских экспериментах и ​​во многих более поздних устройствах. Лайнер вводился внутрь посредством процесса тета-пинча с использованием конденсаторной батареи емкостью 50 кДж .

Сьюзи II

А.Э. Робсон и П.Дж. Турчи присоединились к программе в 1972 году, а деПак покинул НРЛ. Робсон и Турчи продолжили разработку концепции с помощью Suzy II, системы, аналогичной той, что затем стала Suzy I, но гораздо большей и оснащенной более крупным 540 кДж блоком питания конденсаторной батареи на . Suzy II сжимала вкладыши от начального диаметра 20–30 см до конечного диаметра около 1 см , что давало общую степень сжатия 28:1. давление более 20 килофунтов на квадратный дюйм. Во время взрывов было достигнуто

После успеха экспериментов Сьюзи II внимание было обращено на жидкий лайнер. Он был построен на Suzy II с использованием пластикового вкладыша внутри стального барабана, заполненного натрий-калиевым сплавом (NaK) с его эвтектическим соотношением (22% Na, 78% K), который при комнатной температуре является жидкостью. Запустив банк имплозии с разной мощностью, можно было проверить взаимосвязь между скоростью имплозии и скоростью вращения. Пока скорость вращения достаточно высока, поскольку гильза сжималась и скорость ее вращения увеличивалась из-за сохранения углового момента , центростремительная сила удерживала кажущийся вектор силы тяжести направленным наружу. Это стабилизирует нестабильность RT, поскольку более легкая жидкость в центре падает наружу, что является естественным стабильным состоянием.

Suzy II удалось обеспечить стабильное сжатие вкладыша внутрь, но, к сожалению, обратное оказалось неверным. Поскольку лайнер снова начал расширяться при выключении тока сжатия, это снова привело к переходу тяжелой жидкости в более легкую, и вновь появились RT-неустойчивости. Это привело к тому, что вкладыш распался на капли, которые из-за своей большой массы и скорости хаотично ударились о контейнер со всей заключенной в нем энергией. В серийной машине это будет порядка 100 МДж, что эквивалентно примерно 50 фунтам (23 кг) в тротиловом эквиваленте .

Эксперименты по имплозии поршня

Решением проблемы разрушения вкладыша во время расширения является заполнение пустот дополнительным материалом вкладыша. Это исключает использование электромагнитных приводов, как в Сьюзи, и внимание обращено на использование механического поршня, перемещающего материал из резервуара в основную камеру. Поршень приводился в движение сжатым газом.

За этим последовало несколько экспериментальных машин. Первая, «водяная модель», представляла собой барабан с водой, вокруг которого радиально располагались поршни. Вся система крутилась, включая поршни. Это подтвердило базовый подход, но было проблематичным, поскольку синхронизацию поршня оказалось трудно контролировать с необходимой точностью. Эта проблема была решена за счет новой конструкции поршня, в которой поршни расположены кольцеобразно и могут запускаться от одного источника. Это решило проблемы, и начались планы по созданию более крупных устройств.

Линус-0

После успеха поршневых моделей начались планы по созданию более крупной машины, аналогичной по размеру и энергии машине Suzy II. Это привело к созданию конструкции Linus-0, которая состояла из стального ротора диаметром 48 дюймов (1200 мм), окруженного газовым баллоном, давление в котором достигало 5000 фунтов на квадратный дюйм (34000 кПа) с использованием ряда небольших фугасных DATB ( C ₆ H ₅ N ₅ O ₆ ) заряды, также известные как взрывчатое вещество на полимерной связке PBXN, выбран из-за его высокой температуры плавления, низкого содержания твердых частиц и сравнительно низкой стоимости. Заряды были загружены в ряд портов на одном конце устройства и запущены непосредственно перед экспериментальным запуском, чтобы создать давление в системе. Внутренний ротор вращался до 2100 об/мин с помощью двигателя Chevrolet V8 объемом 454 кубических дюйма .

Линус-0 строился медленно из-за того, что единственный механический цех был достаточно большим, чтобы ротор был занят другими задачами, и устройство было завершено только в 1978 году, незадолго до закрытия программы. Тем не менее, система использовалась с водой и доказала свою способность производить повторяющиеся выстрелы за короткое время работы. Во время сбора данных из Линуса-0 стреляли до трех раз в день.

Гелиус

Задержки в постройке Линуса-0 привели к созданию уменьшенной версии Гелиуса. Он был разработан для использования жидких натрия и калия в камере гильзы. На практике для проведения гидродинамических исследований было достаточно использования воды. В ходе эксперимента жидкие натриево-калиевые вкладыши взрывались с использованием гелия под высоким давлением ( 120 атм ) для привода механических поршней.

Судьба проекта

Первоначальные предложения по конструкции Лайнуса основывались на цилиндрическом коллапсе гильзы со сплошной плазмой внутри. Такое расположение означало, что не было ничего, что могло бы удержать плазму от выбрасывания из концов взрывающегося металлического цилиндра. Это не обязательно было проблемой; и лайнер, и плазма двигались бы со скоростью звука , но поскольку скорость звука в металле гораздо выше, чем в плазме, большая часть плазмы не успела бы сдвинуться с места до того, как уже завершилась реакция. Были некоторые опасения по поводу плохой кривизны на концах цилиндра, которая может привести к нестабильности обмена , которая действует намного быстрее скорости звука. Величина этого эффекта, если он вообще присутствовал, не исследовалась.

Недостаток этого подхода заключался в том, что некоторое количество плазмы все же вышло, и это количество увеличивалось по мере уменьшения скорости взрыва. энергия драйверов порядка 75–100 МДж Чтобы получить разумную скорость реакции, требовалась . Хотя достичь этого было вполне возможно, строительство такой системы хранения все равно представляло собой значительные капитальные затраты, а возникший в результате высокоэнергетический и высокоскоростной взрыв представлял собой инженерную задачу.

Линус разрабатывался в то время, когда впервые появилась другая концепция термоядерного синтеза — конфигурация с обращенным полем , или FRC. По сути, это дымовое кольцо плазмы, которое естественным образом стабильно до тех пор, пока не остынет. Использование FRC внутри машины обеспечит естественное удержание концов цилиндра, предотвращая выход плазмы. Это позволило бы значительно снизить необходимую энергию имплозии и, таким образом, снизить размер и стоимость машины в целом.

В то время FRC были совершенно новой технологией. Но поскольку они, казалось, представляли собой значительный прогресс в современном уровне техники и потенциально могли создать успешную термоядерную систему даже без взрыва, интерес NRL быстро переключился на физику, лежащую в основе FRC. Эксперименты на Линус-0 и Гелиусе были относительно короткими, отчасти из-за задержек, возникших на этапах проектирования, изготовления и сборки. Времени на восстановление после задержек или неожиданных проблем не было выделено, и в конечном итоге машины были разобраны и помещены на хранение.

Проект Линус столкнулся с рядом инженерных проблем, которые ограничили его производительность и, следовательно, его привлекательность как подхода к коммерческой термоядерной энергии. Эти вопросы включали в себя эффективность метода плазменной подготовки и инжекции, возможность достижения обратимых циклов сжатия-расширения, проблемы с диффузией магнитного потока в материал лейнера, а также возможность удаления испаренного материала лейнера из полости между циклами (в течение продолжительности около 1 с ), что не было выполнено. Недостатки возникли и в конструкции внутреннего механизма, нагнетающего жидкометаллический хвостовик.

Другая серьезная проблема, с которой пришлось столкнуться, заключалась в гидродинамической нестабильности жидкостного хвостовика. Если бы жидкость была неточно сжата, границы плазмы могли бы испытывать нестабильность Рэлея-Тейлора . Это условие может погасить реакцию термоядерного синтеза за счет снижения эффективности сжатия и введения загрязняющих веществ из материала лейнера (испаренного свинца и лития) в плазму. Оба эффекта снижают эффективность реакций синтеза. Сильная нестабильность может даже привести к повреждению реактора. Синхронизировать время работы системы сжатия с технологией того времени было невозможно, и предложенная конструкция была отменена.

См. также

• Электромагнитная формовка
• Общий Фьюжн
• Слияние намагниченной мишени
• Шива Звезда

Ссылки

Библиография

• Турчи, Питер (25–28 сентября 2018 г.). «Обзор мощности управляемого термоядерного синтеза на уровнях мегагауссового поля» . 2018 16-я Международная конференция по генерации мегагауссового магнитного поля и смежным темам (MEGAGAUSS) . Касива, Япония: IEEE. стр. 1–8. дои : 10.1109/MEGAGAUSS.2018.8722684 . ISBN  978-1-5386-5765-2 . S2CID   169034048 .
• Турчи, Питер; Фрезе, Шерри; Фрезе, Майкл (10 октября 2017 г.). «Стабилизированный линейный компрессор для недорогого контролируемого термоядерного синтеза на уровнях мегагауссового поля» . Транзакции IEEE по науке о плазме . 45 (10): 2800–2809. Бибкод : 2017ITPS...45.2800T . дои : 10.1109/TPS.2017.2702625 . S2CID   30191919 .