Энергия лазерного инерционного синтеза

Рендеринг термоядерной электростанции LIFE.1. Термоядерная система находится в большом цилиндрическом здании содержания в центре.

LIFE , сокращение от Laser Inertial Fusion Energy , представлял собой проект в области термоядерной энергии , который проводился в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в период с 2008 по 2013 год. Целью LIFE была разработка технологий, необходимых для преобразования концепции лазерного инерционного термоядерного синтеза, разрабатываемой в Национальном центре зажигания ( NIF) в практическую коммерческую электростанцию , концепция, известная как энергия инерционного термоядерного синтеза (IFE). LIFE использовала те же основные концепции, что и NIF, но стремилась снизить затраты за счет использования топливных элементов массового производства, упрощенного обслуживания и диодных лазеров с более высоким электрическим КПД.

Были рассмотрены две конструкции, работающие либо как система чистого термоядерного синтеза, либо как гибридная система термоядерного синтеза-деления . В первом случае энергия, генерируемая реакциями синтеза, используется напрямую. В последнем случае нейтроны , выделяемые в результате реакций синтеза, используются для вызова реакций деления в окружающей среде из урана или другого ядерного топлива , и эти события деления ответственны за большую часть выделения энергии. В обоих случаях традиционные паровые турбинные для извлечения тепла и производства электроэнергии используются системы.

Строительство НИФ завершилось в 2009 году, и началась длительная серия пусковых испытаний для вывода его на полную мощность. В течение 2011 и 2012 годов NIF проводил «национальную кампанию по воспламенению», чтобы достичь точки, в которой реакция термоядерного синтеза станет самоподдерживающейся , что является ключевой целью, которая является основным требованием любой практической системы IFE. NIF не смог достичь этой цели: эффективность термоядерного синтеза была значительно ниже уровня воспламенения и значительно отличалась от прогнозов. Поскольку проблема возгорания не была решена, проект LIFE был отменен в 2013 году.

Программа LIFE подвергалась критике за ее разработку за то, что она основана на физике, которая еще не была продемонстрирована. В одной резкой оценке Роберт МакКрори, директор Лаборатории лазерной энергетики , заявил: «По моему мнению, чрезмерные обещания и перепродажа LIFE оказали плохую услугу Ливерморской лаборатории Лоуренса».

Предыстория

Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса (LLNL) является лидером в области лазерного инерционного термоядерного синтеза (ICF) с тех пор, как первоначальная концепция была разработана сотрудником LLNL Джоном Наколсом в конце 1950-х годов. Основная идея заключалась в том, чтобы использовать двигатель для сжатия небольшой гранулы, известной как мишень , содержащей термоядерное топливо — смесь дейтерия (D) и трития (Т). Если сжатие достигает достаточно высоких значений, начинают происходить реакции синтеза с высвобождением альфа-частиц и нейтронов . Альфа-группы могут воздействовать на атомы окружающего топлива, нагревая их до такой степени, что они также подвергаются синтезу. Если скорость альфа-нагрева выше, чем потери тепла в окружающую среду, в результате возникает самоподдерживающаяся цепная реакция, известная как воспламенение .

Сравнение входной энергии драйвера с выходной энергией термоядерного синтеза дает число, известное как усиления термоядерной энергии , обозначенное Q. коэффициент 1 . Для того чтобы система производила чистую энергию, требуется значение Q не менее Поскольку для работы реактора требуется некоторая энергия, для получения чистой электрической мощности Q должно быть не менее 3. Для коммерческой эксплуатации необходимы значения Q , значительно превышающие это значение. Для ICF необходимы Q порядка 25–50, чтобы компенсировать как потери при выработке электроэнергии, так и большое количество энергии, используемой для питания драйвера. Осенью 1960 года теоретические работы, проведенные в LLNL, показали, что усиление необходимого порядка возможно с драйверами порядка 1 МДж.

В то время рассматривалось несколько различных драйверов, но появление лазера позднее в том же году предоставило первое очевидное решение с правильным сочетанием функций. Желаемая энергия значительно превосходила современные возможности лазерного проектирования, поэтому в середине 1960-х годов LLNL начала программу развития, направленную на достижение этих уровней. Каждое увеличение энергии приводило к новым и неожиданным оптическим явлениям, которые приходилось преодолевать, но они были в основном решены к середине 1970-х годов. Работая параллельно с лазерными группами, физики, изучающие ожидаемую реакцию с помощью компьютерного моделирования , адаптированного к работе над термоядерной бомбой, разработали программу, известную как LASNEX , которая предполагала, что Q из 1 может быть получена на гораздо более низких уровнях энергии, в килоджоульном диапазоне, уровнях, на которых лазер теперь команда смогла добиться успеха.

С конца 1970-х годов LLNL разработала серию машин для достижения условий, прогнозируемых LASNEX и другими методами моделирования. С каждой итерацией результаты экспериментов показывали, что моделирование было неверным. Первая машина, лазер Шива, выпущенный в конце 1970-х годов, производила сжатие порядка 50–100 раз, но не вызывала реакции термоядерного синтеза, даже близкого к ожидаемому уровню. Проблема была связана с тем, что инфракрасный лазерный свет нагревает электроны и смешивает их с топливом, и было высказано предположение, что использование ультрафиолетового света могло бы решить эту проблему. Эта проблема была решена в лазере Nova 1980-х годов, который был разработан с конкретной целью создания воспламенения. Нова действительно произвела большое количество термоядерного синтеза: выстрелы произвели целых 10 ⁷ нейтроны, но не смогли достичь воспламенения. Это было связано с ростом неустойчивостей Рэлея-Тейлора , что значительно увеличило требуемую мощность драйвера.

В конечном итоге все эти проблемы были сочтены хорошо изученными, и возникла гораздо более масштабная конструкция — NIF. NIF был разработан так, чтобы обеспечить примерно вдвое большую необходимую энергию драйвера, допуская некоторую погрешность. Проект НИФ был завершен в 1994 году, а строительство должно было завершиться к 2002 году. Строительство началось в 1997 году, но на его завершение ушло более десяти лет, а основное строительство было объявлено завершенным в 2009 году.

ЖИЗНЬ

В ходе разработки концепции ICF в LLNL и других местах было предпринято несколько небольших усилий по рассмотрению проекта коммерческой электростанции, основанной на концепции ICF. Примеры включают SOLASE-H. и ХАЙЛАЙФ-II. Когда в 2008 году NIF приближался к завершению и различные проблемы считались решенными, LLNL начала более серьезную работу по разработке IFE, LIFE.

синтеза

Когда проект LIFE был впервые предложен, он был сосредоточен на гибридной концепции ядерного синтеза-деления , которая использует быстрые нейтроны реакций синтеза для индукции деления воспроизводящих ядерных материалов . Гибридная концепция была разработана для выработки электроэнергии как из воспроизводящего, так и из делящегося ядерного топлива, а также для сжигания ядерных отходов. Топливный бланкет был разработан для использования топлива на основе TRISO, охлаждаемого расплавленной солью , изготовленной из смеси фторида лития (LiF) и фторида бериллия (BeF ₂ ).

Обычные электростанции, работающие на расщеплении, полагаются на цепную реакцию, возникающую, когда в результате деления высвобождаются тепловые нейтроны, которые вызывают дальнейшие события деления. Каждое событие деления U-235 высвобождает два или три нейтрона с кинетической энергией около 2 МэВ . Путем тщательной компоновки и использования различных поглощающих материалов разработчики могут сбалансировать систему так, чтобы один из этих нейтронов вызывал еще одно событие деления, в то время как один или два других были потеряны. Этот баланс известен как критичность . Природный уран представляет собой смесь трех изотопов; в основном U-238 , с некоторым количеством U-235 и следами U-234. Нейтроны, выделяющиеся при делении любого из основных изотопов, вызовут деление U-235, но не U-238, для которого требуются более высокие энергии, около 5 МэВ. В природном уране недостаточно U-235 для достижения критичности. Коммерческие легководные ядерные реакторы , самые распространенные энергетические реакторы в мире, используют ядерное топливо , содержащее уран, обогащенный до 3–5% U-235, а остаток — U-238.

Каждое событие термоядерного синтеза в термоядерном реакторе DT испускает альфа-частицу и быстрый нейтрон с кинетической энергией около 14 МэВ. Этой энергии достаточно, чтобы вызвать деление U-238, а многих других трансурановых элементов также . Эта реакция используется в водородных бомбах для увеличения мощности термоядерной секции путем покрытия ее слоем обедненного урана , который подвергается быстрому делению при попадании нейтронов из термоядерной бомбы внутри. Та же основная концепция может быть использована и в термоядерном реакторе, таком как LIFE, где его нейтроны вызывают деление в слое ядерного топлива. В отличие от реактора деления, который сжигает свое топливо, как только уровень U-235 падает ниже определенного порогового значения, эти гибридные реакторы деления-синтеза могут продолжать производить энергию из топлива деления до тех пор, пока термоядерный реактор продолжает вырабатывать нейтроны. Поскольку нейтроны обладают высокой энергией, они потенциально могут вызвать множественные события деления, что приведет к тому, что реактор в целом будет производить больше энергии. Эта концепция известна как умножение энергии . Даже остатки ядерного топлива, взятого из обычных ядерных реакторов, сгорят таким образом. Это потенциально привлекательно, поскольку в процессе сжигаются многие долгоживущие радиоизотопы, в результате чего образуются лишь умеренно радиоактивные отходы, в которых отсутствуют большинство долгоживущих компонентов.

В большинстве проектов термоядерной энергетики термоядерные нейтроны реагируют с слоем лития, образуя новый тритий для топлива. Основная проблема конструкции деления-синтеза заключается в том, что нейтроны, вызывающие деление, больше не доступны для воспроизводства трития. Хотя реакции деления высвобождают дополнительные нейтроны, им не хватает энергии для завершения реакции размножения с Li-7, который составляет более 92% природного лития. Эти нейтроны с более низкой энергией вызовут размножение Li-6, который может быть сконцентрирован из природной литиевой руды. Однако реакция Li-6 производит только один тритий на захваченный нейтрон, а для компенсации естественного распада и других потерь требуется более одного Т на нейтрон. При использовании Li-6 нейтроны деления восполнят потери, но только за счет исключения их возможности вызвать другие реакции деления, что снизит выходную мощность реактора. Дизайнеру предстоит выбрать, что важнее; сжигание топлива за счет термоядерных нейтронов или получение энергии за счет самоиндуцированного деления.

Экономика проектов деления-синтеза всегда была сомнительной. Тот же основной эффект можно получить, заменив центральный термоядерный реактор специально разработанным реактором деления и используя избыточные нейтроны деления для воспроизводства топлива в бланкете. Эти быстрые реакторы-размножители на практике оказались неэкономичными, а большая стоимость термоядерных систем в гибриде деления-синтеза всегда предполагала, что они будут неэкономичны, если не будут построены в виде очень больших блоков.

Чистый IFE

Многокомпонентная конструкция целевой камеры Национальной установки зажигания также будет использоваться в LIFE. На производственной электростанции будет использоваться несколько камер, что позволит заменять их для технического обслуживания.

Концепция LIFE прекратила работу по линиям термоядерного деления примерно в 2009 году. После консультаций с партнерами из коммунальной отрасли проект был переориентирован на конструкцию чистого термоядерного синтеза с полезной электрической мощностью около 1 гигаватта.

Термоядерный синтез с инерционным удержанием является одним из двух основных направлений развития термоядерной энергетики, вторым является термоядерный синтез с магнитным удержанием (MCF), в частности концепция токамака , которая строится в крупной экспериментальной системе, известной как ИТЭР . Магнитное удержание широко считается лучшим подходом, и за последние десятилетия его разработки стали значительно активнее. Однако существуют серьезные опасения, что подход MCF в ИТЭР никогда не сможет стать экономически практичным.

Одна из проблем, связанных с затратами на проекты MCF, такие как ИТЭР, заключается в том, что материалы реактора подвергаются интенсивному потоку нейтронов , создаваемому реакциями термоядерного синтеза. Когда нейтроны высокой энергии воздействуют на материалы, они смещают атомы в структуре, что приводит к проблеме, известной как нейтронное охрупчивание , которая ухудшает структурную целостность материала. Это проблема и для реакторов деления, но поток и энергия нейтронов в токамаке больше, чем в большинстве конструкций деления. В большинстве конструкций MFE реактор построен послойно, с тороидальной внутренней вакуумной камерой или «первой стенкой», затем литиевым бланкетом и, наконец, сверхпроводящими магнитами , которые создают поле, удерживающее плазму. Нейтроны, останавливающиеся в бланкете, желательны, но те, которые останавливаются в первой стенке или магнитах, разрушают их. Разборка тороидальной стопки элементов будет трудоемким процессом, который приведет к низкому коэффициенту мощности , что существенно повлияет на экономику системы. Уменьшение этого эффекта требует использования экзотических материалов, которые еще не разработаны.

В качестве естественного побочного эффекта размера топливных элементов и их взрывов в конструкциях ICF используется очень большая реакционная камера шириной в несколько метров. Это снижает поток нейтронов на любой конкретной части стенки камеры по закону обратных квадратов . Кроме того, рядом или внутри реактора нет магнитов или других сложных систем, а лазер изолирован на дальней стороне длинных оптических путей. Дальняя сторона камеры пуста, что позволяет положить туда одеяло и легко за ним ухаживать. Хотя стенки реакционной камеры и окончательная оптика со временем охрупчатся и потребуют замены, по сути камера представляет собой большой стальной шар относительно простой многокомпонентной конструкции, который можно заменить без особых усилий. Реакционная камера в целом значительно проще, чем в концепциях магнитного синтеза, и в проектах LIFE предлагалось построить несколько и быстро вывести их из производства.

Ограничения IFE

Огромные фонарики НИФ неэффективны и непрактичны. LIFE изучала решения по замене этих ламп меньшими и гораздо более эффективными лазерами со светодиодной накачкой.

Лазер NIF использует систему больших ламп-вспышек (как в фотовспышках) для оптической накачки большого количества стеклянных пластин. Как только пластины вспыхивают и достигают инверсной населенности , небольшой сигнал от отдельного лазера подается в оптические линии, стимулируя излучение пластин. Затем пластины передают накопленную энергию в растущий луч, усиливая его в миллиарды раз.

Процесс крайне неэффективен с энергетической точки зрения; NIF подает в лампы-вспышки энергию мощностью более 400 МДж, которая производит 1,8 МДж ультрафиолетового (УФ) света. Из-за ограничений целевой камеры NIF способен выдерживать мощность термоядерного синтеза только примерно до 50 МДж, хотя количество выстрелов обычно составляет около половины этой мощности. С учетом потерь в генерации можно было бы извлечь максимум 20 МДж электроэнергии, что составляет менее 1 ⁄ 20 от вложенной энергии.

Другая проблема с лазерами NIF заключается в том, что лампы-вспышки выделяют значительное количество тепла, которое нагревает лазерное стекло настолько, что вызывает его деформацию. Это требует длительного периода охлаждения между уколами, порядка 12 часов. На практике NIF обеспечивает частоту выстрелов менее одного выстрела в день. Чтобы использовать его в качестве силовой установки, каждую секунду должно происходить около дюжины выстрелов, что значительно превышает возможности лазеров НИФ.

Изначально предполагалось, что метод удержания инерционного термоядерного синтеза с использованием лазера потребует лазеров мощностью в несколько сотен килоджоулей и использования капель топлива, создаваемых устройством парфюмерного мистера . Исследования LLNL, проведенные с тех пор, показали, что такая конструкция не может работать и требует механической обработки узлов для каждого выстрела. Чтобы быть экономически полезным, машина IFE должна будет использовать топливные сборки, которые стоят копейки. Хотя LLNL не публикует цены на свои собственные мишени, аналогичная система в Лаборатории лазерной энергетики ставит Рочестерского университета цели примерно по 1 миллиону долларов каждая. Предполагается, что цели NIF стоят более 10 000 долларов.

Меркурий

LLNL начала изучать различные решения проблемы лазера, когда система впервые описывалась. В 1996 году они построили небольшую испытательную систему, известную как ртутный лазер , в которой лампы-вспышки были заменены лазерными диодами.

Одним из преимуществ этой конструкции было то, что диоды создавали свет примерно той же частоты, что и выходной сигнал лазерного стекла. по сравнению с лампами-вспышками белого света, где большая часть энергии вспышки тратилась впустую, поскольку она не приближалась к активной частоте лазерного стекла. Это изменение увеличило энергоэффективность примерно до 10%, что является значительным улучшением.

При любом заданном количестве создаваемой световой энергии диодные лазеры излучают около 1 ⁄ 3 тепла от лампы-вспышки. Меньшее выделение тепла в сочетании с активным охлаждением в виде гелия, продуваемого между диодами и слоями лазерного стекла, исключило нагрев стекла и позволило Mercury работать непрерывно. В 2008 году Меркьюри мог стрелять 10 раз в секунду с энергией 50 джоулей за выстрел в течение нескольких часов.

В нескольких других проектах, реализуемых параллельно с Mercury, изучались различные методы и концепции охлаждения, позволяющие разместить множество лазерных диодов в очень небольшом пространстве. В конечном итоге они создали систему с лазерной энергией мощностью 100 кВт из коробки длиной около 50 сантиметров (20 дюймов), известную как диодная матрица. В конструкции LIFE эти массивы заменят менее плотную диодную упаковку конструкции Mercury.

Балка в коробке

LIFE, по сути, представлял собой комбинацию концепций Mercury и новых физических устройств, позволяющих значительно уменьшить объем NIF, одновременно значительно упрощая его создание и обслуживание. В то время как линия луча NIF для одного из 192 лазеров имеет длину более 100 метров (330 футов), LIFE была основана на конструкции длиной около 10,5 метров (34 фута), которая содержала все: от источников питания до оптики преобразования частоты. Каждый модуль был полностью независимым, в отличие от NIF, который питался от центрального сигнала от главного генератора, что позволяло снимать и заменять блоки по отдельности, в то время как система в целом продолжала работать.

Каждая ячейка драйвера в базовой конструкции LIFE содержала две матрицы диодов высокой плотности, расположенные по обе стороны большой пластины лазерного стекла. Охлаждение массивов осуществлялось через соединительные трубы на обоих концах модуля. Первоначальный лазерный импульс обеспечивался модулем предусилителя, аналогичным модулю НИФ, выход которого переключался на основной луч через зеркало и ячейки Поккельса оптический переключатель . Чтобы максимизировать энергию, передаваемую в луч лазерного стекла, использовались оптические переключатели, которые направляли луч на зеркала, чтобы четыре раза отразить свет через стекло, аналогично NIF. Наконец, фокусировка и оптическая очистка обеспечивались оптикой по обе стороны стекла, прежде чем луч выходил из системы через преобразователь частоты на одном конце.

Небольшие размеры и независимость лазерных модулей позволили обойтись без огромного здания НИФ. Вместо этого модули были расположены группами вокруг целевой камеры в компактном расположении. В базовых проектах модули были уложены группами по 2 ширины и по 8 высотой в два кольца над и под мишенной камерой, пропуская свет через небольшие отверстия, просверленные в камере, чтобы защитить их от возвращающегося потока нейтронов.

Конечная цель состояла в том, чтобы создать систему, которую можно было бы доставлять на электростанцию ​​в обычном полуприцепе, обеспечивающую лазерную энергию со сквозной эффективностью 18%, что в 15 раз выше, чем у системы NIF. Это снижает требуемый коэффициент усиления слияния до диапазона от 25 до 50, что находится в пределах прогнозируемых значений для NIF. Было решено, что эта система «луч в коробке» может быть построена по цене 3 цента за ватт мощности лазера, а при устойчивом производстве эта цифра снизится до 0,7 цента/Вт. Это будет означать, что для полной установки LIFE потребуется только диодов на сумму около 600 миллионов долларов, что немало, но в пределах экономической возможности.

Недорогие цели

Целью NIF (в центре держателя) являются дорогостоящие механически обработанные сборки, каждая из которых стоит тысячи долларов. LIFE работала с отраслевыми партнерами, чтобы снизить эту сумму до менее чем доллара.

Цели для NIF чрезвычайно дороги. Каждый из них состоит из небольшого открытого металлического цилиндра с прозрачными двойными стеклами, закрывающими каждый конец. Чтобы эффективно преобразовать свет лазера -драйвера в рентгеновские лучи , которые вызывают сжатие, цилиндр должен быть покрыт золотом или другими тяжелыми металлами . Внутри на тонких пластиковых проволоках подвешена полая пластиковая сфера, содержащая топливо. Чтобы обеспечить симметричную имплозию, металлический цилиндр и пластиковая сфера имеют чрезвычайно высокие допуски на обработку. Топливо, обычно газ при комнатной температуре, осаждается внутри сферы, а затем подвергается криогенной заморозке до тех пор, пока не прилипнет к внутренней части сферы. Затем его разглаживают, медленно нагревая инфракрасным лазером, чтобы сформировать гладкий слой толщиной 100 мкм на внутренней стороне гранулы. Каждая цель стоит десятки тысяч долларов.

Чтобы решить эту проблему, значительные усилия LIFE были направлены на разработку упрощенных конструкций мишеней и автоматизированное строительство, что позволило бы снизить их стоимость. Работая с General Atomics , команда LIFE разработала концепцию использования местных топливных заводов, которые будут массово производить пеллеты со скоростью около миллиона в день. Ожидалось, что это снизит их цену примерно до 25 центов за мишень. хотя другие источники предполагают, что целевая цена была ближе к 50 центам, а собственные оценки LLNL варьируются от 20 до 30 центов.

Еще одним менее очевидным преимуществом концепции LIFE является то, что количество трития, необходимое для запуска системы, значительно уменьшено по сравнению с концепцией MFE. В MFE готовится и помещается в реактор относительно большое количество топлива, и только для запуска требуется большая часть всех мировых запасов гражданского трития. LIFE, благодаря небольшому количеству топлива в каждой таблетке, может начать работу с гораздо меньшим количеством трития, порядка 1 ⁄ 10 .

Общий дизайн

Термоядерная система LIFE.1/MEP. Лазеры представляют собой серые коробки, расположенные группами вверху и внизу здания содержания (нижние едва видны). Их свет синего цвета отражается по оптическим путям в целевую камеру в центре. Механизм слева обеспечивает циркуляцию жидкого лития или FLiBe , который отводит тепло из камеры для ее охлаждения, обеспечивает тепло генераторами и извлекает тритий в качестве топлива.

Ранние конструкции термоядерного синтеза-деления не были хорошо разработаны, и были показаны только схематические наброски концепции. Эти системы выглядели как уменьшенная версия NIF с лучами длиной около 100 метров (330 футов) по обе стороны от целевой камеры и зоны выработки электроэнергии. Лазер производил 1,4 МДж ультрафиолетового света 13 раз в секунду. Термоядерный синтез происходил в мишенной камере размером 2,5 метра (8 футов 2 дюйма), которая была окружена 40 короткими тоннами (36 000 кг) необогащенного ядерного топлива или, попеременно, примерно 7 короткими тоннами (6 400 кг) Pu или высокообогащенного урана из оружия. . Ожидалось, что термоядерная система будет производить Q порядка 25–30, что приведет к термоядерной энергии от 350 до 500 МВт. Процессы деления, вызванные термоядерным синтезом, добавят дополнительный прирост энергии в 4–10 раз, в результате чего общая тепловая мощность составит от 2000 до 5000 МВт _·т . Использование высокоэффективных преобразования тепла в электричество, систем таких как конструкции с циклом Ренкина , в сочетании с продемонстрированными сверхкритическими парогенераторами позволит превратить около половины тепловой мощности в электричество.

К 2012 году базовый проект концепции чистого термоядерного синтеза, известный как Установка выхода на рынок (MEP), стабилизировалось. Это была автономная конструкция, в которой вся термоядерная секция была помещена в цилиндрическое бетонное здание, мало чем отличающееся от здания локализации реактора деления, хотя и большего размера - 100 метров (330 футов) в диаметре. По обеим сторонам центрального здания располагались небольшие прямоугольные здания: в одном располагались турбины и системы обработки энергии, в другом — тритиевый завод. Третье здание, пристроенное к заводу или позади него, в зависимости от схемы, использовалось для технического обслуживания.

Внутри центрального здания термоядерного синтеза лазеры «луч в коробке» были расположены в двух кольцах: одно над и одно под мишенной камерой. В общей сложности 384 лазера будут обеспечивать 2,2 МДж УФ-излучения на длине волны 0,351 микрометра. производя Q 21. Легкогазовая пушка использовалась для стрельбы 15 мишенями в секунду в мишенную камеру. При каждом выстреле температура внутренней стенки мишенной камеры повышается с 600 °C (1112 °F) до 800 °C (1470 °F).

Мишенная камера представляет собой двухстенную конструкцию, заполненную жидким литием или литиевым сплавом между стенками. Литий захватывает нейтроны в результате реакций образования трития, а также действует как первый контур теплоносителя. Камера заполнена газообразным ксеноном , который замедляет реакцию ионов, а также защищает внутреннюю или первую стенку от массивного потока рентгеновских лучей . Поскольку камера не находится под высоким давлением, как активная зона, ее не обязательно строить как единую сферу. Вместо этого камера LIFE состоит из восьми одинаковых секций, которые имеют встроенные соединения с контуром охлаждения. Их доставляют на завод, скрепляют болтами на двух опорах, а затем окружают пространственной рамой из труб.

Чтобы справиться с охрупчиванием, вся целевая камера была спроектирована таким образом, чтобы ее можно было легко выкатить из центра здания по рельсам в здание технического обслуживания, где ее можно было перестроить. Ожидалось, что камера прослужит четыре года и будет заменена через один месяц. Оптическая система отделена от камеры, что изолирует ее от вибраций во время работы и означает, что сами лучи не нужно перенастраивать после замены камеры.

Пиковая мощность электростанции, или паспортная мощность , составляла около 400 МВт, а конструктивные особенности позволяли увеличить мощность до 1000 МВт.

Экономика

Параметры установки LIFE (MEP: прототип; LIFE.2: коммерческая установка первого поколения)

	депутат Европарламента	ЖИЗНЬ.2
Энергия лазера на цели, МДж	2.2	2.2
Целевой выход, МДж	132	132
Частота повторения импульсов, Гц	8.3	16.7
Мощность термоядерного синтеза, МВт	1100	2200
Тепловая мощность, МВт	1320	2640
Материал камеры	РАФМС	ОРВ
Радиус первой стены, м	6.0	6.0
Нейтронная стеновая нагрузка, МВт/м 2	1.8	3.6
Поверхностная тепловая нагрузка, МВт/м 2	0.63	1.26
Коэффициент воспроизводства трития	1.05	1.05
Первичная охлаждающая жидкость	Что	Что
Промежуточный теплоноситель	Расплавленная соль	Расплавленная соль
Температура на выходе из камеры, °С	530	575
Эффективность преобразования, %	45	47
Полная мощность, МВт	595	1217
Электрическая мощность лазера, МВт	124	248
Внутристанционная электрическая нагрузка, МВт	34	64
Полезная электрическая мощность, МВт	437	905

Нормализованную стоимость электроэнергии (LCoE) можно рассчитать путем деления общей стоимости строительства и эксплуатации энергосистемы в течение ее срока службы на общий объем электроэнергии, отправленной в сеть за этот период. Денежная сумма, по сути, представляет собой комбинацию капитальных затрат ( CAPEX ) завода и процентных платежей по этим капитальным затратам, а также дисконтированной стоимости топлива, технического обслуживания, необходимого для его поддержания в рабочем состоянии, и его демонтажа, дисконтированных эксплуатационных расходов, или ОПЕКС. Количество электроэнергии обычно рассчитывается путем рассмотрения пиковой мощности, которую может производить станция, а затем корректировки ее с помощью коэффициента мощности (CF), чтобы учесть время простоя из-за технического обслуживания или преднамеренного регулирования. Для быстрого расчета можно проигнорировать инфляцию, альтернативные издержки и незначительные эксплуатационные расходы, чтобы определить показатель стоимости электроэнергии.

MEP не задумывался как серийная разработка и мог экспортировать лишь небольшое количество электроэнергии. Однако он послужит основой для первой серийной модели LIFE.2. LIFE.2 будет производить 2,2 ГВт термоядерной энергии и преобразовывать ее в 1 ГВт электрической с КПД 48%. В течение года LIFE будет производить 365 дней x 24 часа x коэффициент мощности 0,9 x паспортная мощность 1 000 000 кВт = 8 миллиардов кВтч. Чтобы выработать эту мощность, системе придется сжигать 365 x 24 x 60 минут x 60 секунд x 15 гранул в секунду x 0,9 мощности = 425 миллионов топливных гранул. Если пеллеты будут стоить по рекомендованной цене 50 центов за штуку, то это будет более 200 миллионов долларов в год на топливо для завода. Средний тариф на оптовую электроэнергию в США по состоянию на 2015 год. составляет около 5 центов/кВтч, Таким образом, коммерческая стоимость этой энергии составляет около 212 миллионов долларов, что позволяет предположить, что LIFE.2 в среднем едва покроет свои собственные затраты на топливо.

Капитальные затраты завода оцениваются в 6,4 миллиарда долларов, поэтому финансирование завода в течение 20-летнего периода добавляет еще 5 миллиардов долларов, исходя из необеспеченной ставки 6,5%. С учетом только капитальных вложений и топлива общая стоимость завода составит 6,4 + 5 + 4 = 15,4 миллиарда долларов. Разделив общую стоимость на энергию, произведенную за тот же период, можно получить приблизительную оценку стоимости электроэнергии за 20-летний срок эксплуатации: 15,4 миллиарда долларов / 160 миллиардов кВтч = 9,6 центов/кВтч. Срок эксплуатации в течение 40 лет приведет к тому, что стоимость электроэнергии составит 4,8 цента/кВтч. LLNL рассчитала LCOE LIFE.2 на уровне 9,1 цента, используя методологию дисконтированных денежных потоков, описанную в отчете MIT за 2009 год «Будущее ядерной энергии». Используя любое значение, LIFE.2 не сможет конкурировать с современными возобновляемыми источниками энергии , стоимость которых значительно ниже 5 центов за кВтч по состоянию на 2018 год. .

LLNL прогнозировала, что дальнейшее развитие после широкого коммерческого внедрения может привести к дальнейшему совершенствованию технологий и снижению затрат, и предложила проект LIFE.3 с капитальными затратами около 6,3 миллиардов долларов и паспортной мощностью 1,6 ГВт по цене 4,2 доллара за ватт за ватт. Это приводит к прогнозируемой LCOE в размере 5,5 центов/кВтч. что конкурирует с морской ветроэнергетикой по состоянию на 2018 год , но вряд ли это произойдет в 2040 году, когда начнется строительство проектов LIFE.3. Заводы LIFE будут оптовыми продавцами, конкурируя с базовой ставкой нагрузки около 5,3 цента за кВтч по состоянию на 2015 год. .

Секция паровой турбины электростанции, машинный зал , обычно стоит около 1 доллара за Вт, а электрооборудование для подачи этой энергии в сеть стоит еще около 1 доллара за Вт. Чтобы достичь прогнозируемого общего объема капитальных затрат, указанного в документах LIFE, это означает, что весь ядерный остров должен стоить около 4 долларов США за Вт для LIFE.2 и чуть более 2 долларов США за Вт для LIFE.3. Современные атомные электростанции, основанные на многолетнем коммерческом опыте и непрерывной проектной работе, стоят чуть менее 8 долларов за Вт, причем примерно половина этой суммы приходится на ядерный остров. По оценкам LLNL, LIFE.3 должен быть построен в 2040 году примерно за половину стоимости сегодняшней атомной электростанции.

Конец ЖИЗНИ

Строительство НИФ было завершено в 2009 году, и в лаборатории начался длительный период калибровки и настройки, чтобы вывести лазер на полную мощность. В 2012 году завод вышел на проектную мощность 1,8 МДж УФ-излучения. В этот период NIF начал реализацию поэтапной программы, известной как Национальная кампания по воспламенению, с целью добиться воспламенения к 30 сентября 2012 года. В конечном итоге кампания провалилась, поскольку возникли неожиданные проблемы с производительностью, которые не были предсказаны при моделировании. К концу 2012 года система производила лучшие снимки, которые все еще были 1/10 необходимого давления, для воспламенения.

Во время обзора хода работы после окончания кампании наблюдательный совет Национальной академии наук заявил, что «подходящее время для создания национальной, скоординированной, широкой энергетической программы инерционного термоядерного синтеза в Министерстве энергетики - это момент, когда будет достигнуто воспламенение». Они отметили, что «по оценкам комиссии, воспламенение с использованием лазерного непрямого привода маловероятно в ближайшие несколько лет».

Проект LIFE был незаметно отменен в начале 2013 года. Исполняющий обязанности директора LLNL Брет Кнапп прокомментировал эту проблему, заявив, что «наши усилия по термоядерному синтезу с инерционным удержанием сосредоточены на понимании воспламенения в NIF, а не на концепции LIFE. Пока не будет достигнут больший прогресс в воспламенении, мы будем направлять наши усилия на решение оставшиеся фундаментальные научные проблемы на пути к термоядерному воспламенению».

Ссылки

Библиография

• Анклам, Т.; Саймон, Эй Джей; Пауэрс, С.; Мейер, WR (2 декабря 2010 г.). «ЖИЗНЬ: Аргументы в пользу ранней коммерциализации термоядерной энергии» (PDF) . Материалы девятнадцатого тематического совещания по технологии термоядерной энергетики . Архивировано из оригинала (PDF) 4 сентября 2015 года . Проверено 2 апреля 2015 г.
• Байрамян, Энди (12 сентября 2012 г.). «Прогресс в создании компактного лазерного драйвера для энергии лазерного инерционного синтеза» (PDF) . Цех твердотельных лазеров с диодной накачкой высокого энергетического класса .
• Бете, Ганс (май 1979 г.). «Фьюжн-гибрид» (PDF) . Физика сегодня . 32 (5): 44–51. Бибкод : 1979PhT....32e..44B . дои : 10.1063/1.2995553 .
• Бреннен, Кристофер (2005). Введение в атомную энергетику (PDF) . Издательство Данкат.
• Крэндалл, Дэвид (27 декабря 2012 г.). Заключительный обзор Национальной кампании за воспламенение (PDF) (Технический отчет). Министерство энергетики.
• Кортленд, Рэйчел (27 марта 2013 г.). «Самая яркая надежда лазерного синтеза» . IEEE-спектр .
• Данн, Майк (9 ноября 2010 г.). «Своевременная доставка энергии лазерного инерционного синтеза» (PDF) . 19-е тематическое совещание ANS по технологиям термоядерной энергетики .
• Эбберс, Крис; Кэрд, Джон; Моисей, Эдвард (1 марта 2009 г.). «Лазер на Меркурии движется к практическому лазерному синтезу» . Мир лазерного фокуса .
• Линдл, Джон (декабрь 1993 г.). «Лекция о медали Эдварда Теллера: эволюция в сторону непрямого привода и два десятилетия прогресса в направлении зажигания и сгорания ICF» (PDF) . 11-й международный семинар по лазерному взаимодействию и связанным с ним плазменным явлениям .
• Моисей, Эдвард (август 2009 г.). «Устойчивый ядерный топливный цикл, основанный на энергии лазерного инерционного синтеза» (PDF) . Восемнадцатое тематическое совещание по технологии термоядерной энергетики . стр. 547–565.
• Наколлс, Джон (12 июня 1998 г.). Ранние шаги к энергии инерционного термоядерного синтеза (IFE) (Технический отчет). Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса.
• Саттон, Дон (28 ноября 2011 г.). «Терминная электростанция уже находится на стадии разработки к 2030 году» . Канадский бизнес .
• Оценка перспектив энергетики инерционного термоядерного синтеза . Пресса национальных академий. Июль 2013. ISBN.  978-0-309-27224-7 .
• "ЖИЗНЬ" . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса. Архивировано из оригинала 20 мая 2012 года.
• «LIFE Design: Лазерная система» . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса. Архивировано из оригинала 24 июля 2012 года.
• «LIFE Design: Экономическая выгода» . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса. Архивировано из оригинала 24 июля 2012 года.
• «Ртуть: твердотельный лазер с диодной накачкой» . Национальная установка зажигания и фотонная наука .
• Анализ приведенной стоимости энергии Лазарда — версия 8.0 (PDF) . Лазард (Технический отчет). Сентябрь 2014.

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с энергией лазерного инерционного синтеза , на Викискладе?
• Хеллер, Арни (июль – август 2011 г.). «Зажигая наше энергетическое будущее» . Обзор науки и технологий . Проверено 1 мая 2017 г.
• Хеллер, Арни (апрель – май 2009 г.). «Безопасная и устойчивая энергетика с ЖИЗНЬЮ» . Обзор науки и технологий . Проверено 1 мая 2017 г.