Коэффициент выигрыша энергии термоядерного синтеза

Взрыв водородной бомбы Айви Майк . Водородная бомба была первым устройством, способным достичь коэффициента выигрыша в энергии термоядерного синтеза, значительно превышающего 1.

Коэффициент усиления термоядерной энергии , обычно обозначаемый символом Q , представляет собой отношение термоядерной энергии, вырабатываемой в термоядерном реакторе, к мощности, необходимой для поддержания плазмы в устойчивом состоянии . Условие Q = 1, когда мощность, выделяемая при реакциях синтеза, равна необходимой мощности нагрева, называется безубыточностью , или в некоторых источниках, научной безубыточностью .

Энергия, выделяемая в результате реакций синтеза, может улавливаться топливом, что приводит к саморазогреву . Большинство реакций синтеза высвобождают по крайней мере часть своей энергии в форме, которую нельзя уловить внутри плазмы, поэтому система при Q = 1 будет охлаждаться без внешнего нагрева. Ожидается, что для типичных видов топлива самонагревание в термоядерных реакторах не будет соответствовать внешним источникам, по крайней мере, до тех пор, пока Q ≈ 5. Если Q увеличивается после этой точки, увеличение самонагрева в конечном итоге устраняет необходимость во внешнем нагреве. В этот момент реакция становится самоподдерживающейся, состояние, называемое воспламенением , и обычно считается весьма желательным для практических конструкций реакторов. соответствует бесконечному Q. Зажигание

Со временем в лексикон фьюжн вошли несколько родственных терминов. Энергия, которая не улавливается топливом, может быть уловлена ​​извне для производства электроэнергии. Это электричество можно использовать для нагрева плазмы до рабочих температур. Система, которая работает таким образом с автономным питанием , называется работающей в инженерном режиме безубыточности . Работая выше уровня инженерной безубыточности, машина будет производить больше электроэнергии, чем потребляет, и сможет продавать излишки. Та компания, которая продает достаточно электроэнергии для покрытия своих эксплуатационных расходов, иногда называется экономической безубыточностью . Кроме того, термоядерное топливо, особенно тритий , очень дорогое, поэтому многие эксперименты проводятся с различными тестовыми газами, такими как водород или дейтерий . Реактор, работающий на этом топливе и достигающий условий безубыточности в случае введения трития, называется экстраполированным безубыточностью .

Текущий рекорд самой высокой добротности в токамаке (зарегистрированный во время фактического DT-синтеза) был установлен JET на уровне Q = 0,67 в 1997 году. Рекорд Q _ext (теоретическое значение Q DT-синтеза, экстраполированное из результатов DD) в токамаке удерживается JT-60 с Q _​​ext = 1,14 у JET = 1,25, что немного превосходит более ранний Q _ext . В декабре 2022 года National Ignition Facility , установка инерционного удержания , достигла Q = 1,54 с выходной мощностью 3,15 МДж от лазерного нагрева мощностью 2,05 МДж, что остается рекордом для любой схемы термоядерного синтеза по состоянию на 2023 год. .

Концепция

вопрос Это просто сравнение мощности, выделяемой в результате термоядерных реакций в реакторе, P _fus , с постоянной подаваемой тепловой мощностью, P _Heat , в нормальных рабочих условиях. Для тех конструкций, которые работают не в установившемся режиме, а в импульсном режиме, тот же расчет можно выполнить путем суммирования всей энергии термоядерного синтеза, вырабатываемой в P _fus, и всей энергии, затраченной на создание импульса, в P _Heat . Однако существует несколько определений безубыточности, которые учитывают дополнительные потери мощности.

Точка безубыточности

В 1955 году Джон Лоусон был первым, кто подробно исследовал механизмы энергетического баланса, первоначально в секретных работах, но открыто опубликованных в ныне известной статье 1957 года. В этой статье он рассмотрел и усовершенствовал работы более ранних исследователей, в частности Ганса Тирринга , Питера Тонемана , а также обзорную статью Ричарда Поста . Расширяя все это, в статье Лоусона были сделаны подробные предсказания количества энергии, которая будет потеряна из-за различных механизмов, и сравнено это с энергией, необходимой для поддержания реакции. Этот баланс сегодня известен как критерий Лоусона .

В успешной конструкции термоядерного реактора реакции синтеза генерируют количество энергии, обозначенное P _fus . Некоторое количество этой энергии, P _потери , теряется из-за различных механизмов, в основном из-за конвекции топлива к стенкам камеры реактора и различных форм излучения, которые невозможно уловить для выработки энергии. Чтобы реакция продолжалась, система должна обеспечить нагрев для компенсации этих потерь, где P _потерь = P _тепла для поддержания теплового равновесия.

Самое простое определение безубыточности – это когда Q = 1, то есть P _fus = P _Heat .

Научная безубыточность

Со временем были предложены новые типы термоядерных устройств с разными операционными системами. Особо следует отметить концепцию термоядерного синтеза с инерционным удержанием или ICF. Магнитные подходы, сокращенно MCF, обычно предназначены для работы в (квази) устойчивом состоянии. То есть плазма поддерживается в условиях термоядерного синтеза в течение времени, значительно превышающего время реакций синтеза, порядка секунд или минут. Цель состоит в том, чтобы позволить большей части топлива пройти реакцию термоядерного синтеза. Напротив, реакции ICF длятся только в течение времени, порядка десятков реакций синтеза, и вместо этого пытаются обеспечить такие условия, чтобы большая часть топлива подверглась синтезу даже за этот очень короткий промежуток времени. Для этого устройства ICF сжимают топливо до экстремальных условий, при которых реакции саморазогрева происходят очень быстро.

В устройстве MCF исходная плазма создается и поддерживается большими магнитами, для работы которых в современных сверхпроводниковых устройствах требуется очень мало энергии. После настройки устойчивое состояние поддерживается путем введения тепла в плазму с помощью различных устройств. Эти устройства обеспечивают подавляющее большинство энергии, необходимой для поддержания работы системы. Они также относительно эффективны: возможно, до половины подаваемого в них электричества превращается в энергию плазмы. По этой причине P- _тепло в установившемся состоянии довольно близко к всей энергии, подаваемой в реактор, а эффективность систем нагрева обычно игнорируется. Когда учитывается общая эффективность, она обычно не является частью расчета Q , а вместо этого включается в расчет инженерной безубыточности Q _eng (см. ниже).

Напротив, в устройствах ICF энергия, необходимая для создания необходимых условий, огромна, а устройства, которые это делают, обычно лазеры , крайне неэффективны, около 1%. Если использовать аналогичное определение P _тепла , то есть всей энергии, подаваемой в систему, то устройства ICF безнадежно неэффективны. Например, НИФ использует более 400 МДж электроэнергии для производства электроэнергии в 3,15 МДж. В отличие от MCF, эта энергия должна подаваться для запуска каждой реакции, а не только для запуска системы.

Сторонники МКФ отмечают, что можно использовать альтернативные «драйверы», которые улучшат это соотношение как минимум в десять раз. Если кто-то пытается понять улучшение производительности системы ICF, то интересна не производительность драйверов, а производительность самого процесса слияния. Таким образом, для устройств ICF обычно определяют P- _тепло как количество энергии драйвера, фактически попадающей в топливо, около 2 МДж в случае NIF. Используя это определение P _Heat , можно получить Q , равный 1,5. В конечном счете, это то же определение, что и в MCF, но потери на входе в этих системах меньше, и никакого различия не требуется.

различие, в современных работах это определение часто называют научной безубыточностью , Q _sci или иногда Qplasma _{Чтобы прояснить это} , чтобы противопоставить его аналогичным терминам.

Экстраполированная безубыточность

С 1950-х годов большинство коммерческих конструкций термоядерных реакторов основаны на смеси дейтерия и трития в качестве основного топлива; другие виды топлива обладают привлекательными свойствами, но их гораздо труднее воспламенить. Поскольку тритий радиоактивен, высокобиоактивен и очень подвижен, он представляет собой серьезную проблему безопасности и увеличивает стоимость проектирования и эксплуатации такого реактора.

Чтобы снизить затраты, многие экспериментальные машины предназначены для работы на испытательном топливе, состоящем только из водорода или дейтерия, без трития. В этом случае термин безубыточность экстраполированная Q _ext используется для определения ожидаемой производительности машины, работающей на топливе DT, на основе производительности при работе только на водороде или дейтерии.

Рекорды экстраполированной безубыточности немного выше рекордов научной безубыточности. И JET, и JT-60 достигли значений около 1,25 (подробности см. ниже) при работе на топливе DD. При работе на DT, возможно только в JET, максимальная производительность составляет примерно половину экстраполированного значения.

Инженерная безубыточность

Другой родственный термин, инженерная безубыточность , обозначаемый Q _E , Q _eng или Q _total в зависимости от источника, учитывает необходимость извлекать энергию из реактора, превращать ее в электрическую энергию и возвращать часть ее обратно в систему отопления. Этот замкнутый контур, отправляющий электроэнергию от термоядерного синтеза обратно в систему отопления, известен как рециркуляция . В этом случае основное определение меняется за счет добавления дополнительных членов к стороне P _fus для рассмотрения эффективности этих процессов.

Реакции DT выделяют большую часть своей энергии в виде нейтронов и меньшее количество в виде заряженных частиц, таких как альфа-частицы . Нейтроны электрически нейтральны и покидают любую плазму, прежде чем смогут вернуть в нее энергию. Это означает, что только заряженные частицы реакций могут захватываться топливной массой и вызывать саморазогрев. Если доля энергии, выделяющейся в заряженных частицах, равна f _ch , то мощность в этих частицах равна P _ch = f _ch P _fus . Если этот процесс самонагревания идеален, то есть весь P _ch улавливается топливом, это означает, что мощность, доступная для выработки электроэнергии, - это мощность, которая не выделяется в этой форме, или (1 − f _ch ) P _fus .

В случае нейтронов, несущих большую часть практической энергии, как в случае с топливом DT, эта энергия нейтронов обычно улавливается в « оболочке » лития , которая производит больше трития, который используется для топлива реактора. Из-за различных экзотермических и эндотермических реакций одеяло может иметь коэффициент усиления мощности M _R . M _R обычно составляет от 1,1 до 1,3, что означает, что он также производит небольшое количество энергии. , таким образом, доступной для производства энергии, называется PR _{Чистый результат, общее количество энергии, выброшенной в окружающую среду и} , чистой выходной мощностью реактора.

Затем одеяло охлаждается, а охлаждающая жидкость используется в теплообменнике, приводящем в действие обычные паровые турбины и генераторы. Затем это электричество возвращается в систему отопления. На каждом из этих этапов в цепочке генерации необходимо учитывать эффективность. В случае систем плазменного нагрева: $\eta _{heat}$ составляет порядка 60–70%, в то время как современные генераторные системы, основанные на цикле Ренкина, имеют $\eta _{elec}$ около 35-40%. Объединив их, мы получаем чистый КПД контура преобразования мощности в целом: $\eta _{NPC}$, примерно от 0,20 до 0,25. То есть около 20-25% $P_{R}$ можно рециркулировать.

Таким образом, коэффициент выигрыша энергии термоядерного синтеза, необходимый для достижения инженерной безубыточности, определяется как: $$Q_{E}\equiv {\frac {P_{\text{fus}}}{P_{\text{heat}}}}={\frac {1}{\eta _{\text{heat}}\cdot f_{\text{recirc}}\cdot \eta _{\text{elec}}\cdot (1-f_{\text{ch}})}}$$

Чтобы понять, как $Q_{E}$ Рассмотрим реактор, работающий на мощности 20 МВт и Q = 2. Q = 2 при мощности 20 МВт подразумевает, что P _{тепловая мощность} равна 10 МВт. Из этих первоначальных 20 МВт около 20% приходится на альфа-излучение, поэтому, при условии полного улавливания, 4 МВт P- _тепла вырабатывается самостоятельно. Всего нам нужно 10 МВт отопления, 4 из которых мы получаем через альфа-генераторы, поэтому нам нужно еще 6 МВт мощности. Из первоначальных 20 МВт мощности 4 МВт осталось в топливе, поэтому мы имеем 16 МВт чистой мощности. Используя M _R для бланкета 1,15, мы получаем P _R около 18,4 МВт. Предполагая хорошее $\eta _{NPC}$ 0,25, что требует 24 МВт PR _{= 2 не может} , поэтому реактор при Q достичь технической безубыточности. При Q = 4 требуется 5 МВт нагрева, 4 из которых приходится на термоядерный синтез, оставляя 1 МВт требуемой внешней энергии, которую можно легко генерировать за счет чистой мощности 18,4 МВт. Таким образом, для этой теоретической конструкции Q _E составляет от 2 до 4.

Учитывая реальные потери и эффективность, значения Q от 5 до 8 обычно указываются для устройств с магнитным удержанием, чтобы достичь $Q_{E}=1$, в то время как инерционные устройства имеют значительно меньшие значения для $\eta _{\text{heat}}$ и, следовательно, требуют гораздо более высоких значений Q, порядка 50–100.

Зажигание

Дополнительная информация: Термоядерное зажигание.

С повышением температуры плазмы быстро растет скорость реакций синтеза, а вместе с ней и скорость саморазогрева. Напротив, неуловимые потери энергии, такие как рентгеновские лучи, не растут такими же темпами. Таким образом, в целом процесс самонагрева становится более эффективным по мере повышения температуры, и для поддержания тепла требуется меньше энергии от внешних источников.

В конце концов P- _тепло достигает нуля, то есть вся энергия, необходимая для поддержания рабочей температуры плазмы, поступает за счет саморазогрева, а количество внешней энергии, которую необходимо добавить, падает до нуля. Эта точка известна как воспламенение . В случае DT-топлива, где только 20% энергии выделяется в виде альфа-компонентов, вызывающих самонагревание, этого не может произойти до тех пор, пока плазма не выделит по крайней мере в пять раз больше энергии, необходимой для поддержания ее рабочей температуры.

Зажигание, по определению, соответствует бесконечному Q , но это не означает, что f _{рециркуляции} падает до нуля, поскольку другие потребители энергии в системе, такие как магниты и системы охлаждения, все еще нуждаются в питании. Однако, как правило, они намного меньше, чем энергия в нагревателях, и требуют гораздо меньшей рециркуляции _{частоты} . Что еще более важно, это число, скорее всего, будет почти постоянным, а это означает, что дальнейшее улучшение характеристик плазмы приведет к увеличению количества энергии, которую можно будет напрямую использовать для коммерческого производства, а не для рециркуляции.

Коммерческая безубыточность

Окончательное определение безубыточности — это коммерческая безубыточность , которая возникает, когда экономическая ценность любой чистой электроэнергии, оставшейся после рециркуляции, достаточна для оплаты реактора. реактора Эта стоимость зависит как от капитальных затрат , так и от любых связанных с ним финансовых затрат, его эксплуатационных расходов, включая топливо и техническое обслуживание, а также спотовой цены на электроэнергию.

Коммерческая безубыточность зависит от факторов, выходящих за рамки технологии самого реактора, и вполне возможно, что даже реактор с полностью зажженной плазмой, работающий далеко за пределами инженерной безубыточности, не будет генерировать достаточно электроэнергии достаточно быстро, чтобы окупить себя. Сможет ли какая-либо из основных концепций, таких как ИТЭР, достичь этой цели, обсуждается в этой области.

Практический пример

По состоянию на 2017 год большинство проектов термоядерных реакторов изучаются. основаны на реакции DT, поскольку ее легче всего воспламенить, и она энергоемкая. Эта реакция отдает большую часть своей энергии в виде одного высокоэнергетического нейтрона и только 20% энергии в виде альфа. Таким образом, для реакции DT f _ch = 0,2. Это означает, что самонагрев не станет равным внешнему нагреву до тех пор, пока не будет достигнуто хотя бы Q = 5.

Значения КПД зависят от конструктивных особенностей, но могут находиться в пределах η _тепла = 0,7 (70 %) и η _эл = 0,4 (40 %). Целью термоядерного реактора является производство энергии, а не ее рециркуляция, поэтому практический реактор должен иметь f _{рециркуляции} = примерно 0,2. Лучше было бы ниже, но этого будет трудно достичь. Используя эти значения, находим для практического реактора Q = 22.

Используя эти значения и учитывая ИТЭР, реактор производит 500 МВт термоядерной энергии при 50 МВт энергоснабжения. Если 20% мощности приходится на самонагрев, это означает утечку 400 МВт. Если предположить, что η _Heat = 0,7 и η _elec = 0,4, ИТЭР (теоретически) может производить до 112 МВт тепла. Это означает, что ИТЭР будет работать на инженерной безубыточности. Однако ИТЭР не оснащен системами извлечения энергии, поэтому это остается теоретическим до тех пор, пока не появятся последующие машины, такие как DEMO .

Переходный или постоянный

Многие ранние термоядерные устройства работали в течение микросекунд, используя какой-то импульсный источник энергии для питания своей системы магнитного удержания , одновременно используя сжатие от удержания в качестве источника тепла. Лоусон определил безубыточность в этом контексте как общую энергию, выделяемую в течение всего цикла реакции, по сравнению с общей энергией, подаваемой машине в течение того же цикла.

Со временем, когда производительность увеличилась на порядки, время реакции увеличилось с микросекунд до секунд, а ИТЭР рассчитан . на несколько минут В этом случае определение «весь цикл реакции» становится размытым. Например, в случае зажженной плазмы _{теплота} P может быть довольно высокой во время настройки системы, а затем упасть до нуля, когда она полностью разовьется, поэтому может возникнуть соблазн выбрать момент времени, когда она будет готова. лучше всего работает для определения высокого или бесконечного Q . Лучшим решением в этих случаях является использование исходного определения Лоусона, усредненного по реакции, чтобы получить значение, аналогичное исходному определению.

Есть дополнительная сложность. На этапе нагрева, когда система приводится в рабочий режим, часть энергии, выделяемой в результате реакций термоядерного синтеза, будет использоваться для нагрева окружающего топлива и, таким образом, не будет выделяться в окружающую среду. Это уже не так, когда плазма достигает рабочей температуры и входит в тепловое равновесие. Таким образом, если провести усреднение по всему циклу, эта энергия будет включена в состав термина нагрева, то есть некоторая часть энергии, которая была захвачена для нагрева, в противном случае была бы высвобождена в P _fus и, следовательно, не является показателем работоспособности. Вопрос .

Операторы реактора JET утверждали, что этот вклад следует исключить из общего числа: $$Q^{*}\equiv {\frac {P_{\text{fus}}}{P_{\text{heat}}-P_{\text{temp}}}}$$ где: $$P_{\text{temp}}={\frac {dWp}{dt}}$$

То есть P _temp — это мощность, прикладываемая для повышения внутренней энергии плазмы. Именно это определение использовалось при сообщении JET о рекордном значении 0,67.

Некоторые дебаты по поводу этого определения продолжаются. В 1998 году операторы JT-60 заявили, что достигли Q = 1,25 при работе на DD-топливе, достигнув таким образом экстраполированной безубыточности. Это измерение было основано на определении Q*, предложенном JET. Используя это определение, JET также достигла экстраполированной точки безубыточности некоторое время назад. Если принять во внимание энергетический баланс в этих условиях и анализ предыдущих машин, то можно утверждать, что следует использовать исходное определение, и, таким образом, обе машины остаются значительно ниже уровня безубыточности любого рода.

Научная безубыточность НИФ

Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса (LLNL), лидер в исследованиях ICF, использует модифицированный коэффициент Q , который определяет P- _тепло как энергию, передаваемую драйвером капсуле, в отличие от энергии, подаваемой в драйвер внешним источником питания. Это определение дает гораздо более высокие значения Q и меняет определение безубыточности на P _fus / P _laser = 1. Иногда они называли это определение «научной безубыточностью». Этот термин не использовался повсеместно; другие группы приняли новое определение Q , но продолжали называть P _fus = P _laser просто термином безубыточности.

7 октября 2013 года LLNL объявила, что примерно неделей ранее, 29 сентября, она достигла научной безубыточности в Национальной установке зажигания (NIF). В этом эксперименте P _fus составляла примерно 14 кДж, а мощность лазера — 1,8 МДж. Согласно их предыдущему определению, это будет Q 0,0077. переопределили Q В этом пресс-релизе они еще раз , на этот раз приравняв P _тепло только к количеству энергии, доставленной в «самую горячую часть топлива», рассчитав, что только 10 кДж исходной энергии лазера достигли части топливо, которое подвергалось реакциям синтеза. Этот релиз подвергся резкой критике в этой области.

17 августа 2021 года NIF объявил, что в начале августа 2021 года в ходе эксперимента было достигнуто значение Q 0,7, в результате чего из топливной капсулы было получено 1,35 МДж энергии путем фокусировки 1,9 МДж лазерной энергии на капсуле. Результатом стало восьмикратное увеличение по сравнению с любой предыдущей выработкой энергии.

13 декабря 2022 года Министерство энергетики США объявило, что 5 декабря 2022 года NIF преодолел ранее неуловимый рубеж Q ≥ 1. Это было достигнуто за счет производства 3,15 МДж после доставки 2,05 МДж к цели, что эквивалентно Q 1,54.

Ссылки

Библиография

• Энтлер, Славомир (июнь 2015 г.). «Инженерная безубыточность». Журнал термоядерной энергетики . 34 (3): 513–518}. дои : 10.1007/s10894-014-9830-2 . S2CID   189913715 .
• Лоусон, Джон (1957). «Некоторые критерии энергетического термоядерного реактора». Труды Физического общества, раздел Б. 70 (6): 6–10. Бибкод : 1957ППСБ...70....6Л . дои : 10.1088/0370-1301/70/1/303 .
• Мид, Дейл (октябрь 1997 г.). Q, Безубыточность и диаграмма nτE для плазмы нестационарного синтеза . 17-й симпозиум IEEE/NPSS по термоядерной технике.
• Маккракен, Гарри; Стотт, Питер (2005). Слияние . Академическая пресса. ISBN  9780123846563 .