LIFE , сокращение от Laser Inertial Fusion Energy , была проектом по термоядерной энергии , который проводился в Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе в период с 2008 по 2013 год. Целью LIFE была разработка технологий, необходимых для преобразования концепции термоядерного синтеза с инерционным удержанием, разрабатываемой в Национальном центре зажигания (NIF), в практическую коммерческую электростанцию , концепцию, известную как инерциальная термоядерная энергия (IFE). LIFE использовала те же основные концепции, что и NIF, но была направлена на снижение затрат с помощью топливных элементов массового производства, упрощенного обслуживания и диодных лазеров с более высокой электрической эффективностью.
Были рассмотрены две конструкции, работающие либо как чисто термоядерная, либо как гибридная термоядерно-делительная система . В первой из них энергия, вырабатываемая реакциями термоядерного синтеза, используется напрямую. Во второй нейтроны, выделяемые реакциями термоядерного синтеза, используются для запуска реакций деления в окружающем слое урана или другого ядерного топлива , и эти события деления ответственны за большую часть высвобождения энергии. В обоих случаях для извлечения тепла и производства электроэнергии используются обычные паровые турбинные системы.
Строительство NIF было завершено в 2009 году, и началась длительная серия испытаний на запуск, чтобы вывести его на полную мощность. В течение 2011 и в 2012 годах NIF проводил «национальную кампанию зажигания», чтобы достичь точки, в которой реакция синтеза становится самоподдерживающейся , ключевой цели, которая является основным требованием любой практической системы IFE. NIF не смог достичь этой цели, с производительностью синтеза, которая была значительно ниже уровней зажигания и значительно отличалась от прогнозов. Поскольку проблема зажигания не была решена, проект LIFE был отменен в 2013 году.
Программа LIFE подвергалась критике в ходе ее разработки за то, что она основывалась на физике, которая еще не была продемонстрирована. В одной из своих резких оценок Роберт МакКрори, директор Лаборатории лазерной энергетики , заявил: «По моему мнению, чрезмерные обещания и перепродажа LIFE оказали медвежью услугу Ливерморской лаборатории Лоуренса». [1]
Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса (LLNL) является лидером в области лазерного инерциального термоядерного синтеза (ICF) с тех пор, как первоначальная концепция была разработана сотрудником LLNL Джоном Наколсом в конце 1950-х годов. [2] [3] Основная идея заключалась в использовании драйвера для сжатия небольшой гранулы, известной как мишень , которая содержит термоядерное топливо, смесь дейтерия (D) и трития (T). Если сжатие достигает достаточно высоких значений, начинаются реакции термоядерного синтеза, высвобождающие альфа-частицы и нейтроны . Альфа-частицы могут воздействовать на атомы в окружающем топливе, нагревая их до точки, в которой они также подвергаются термоядерному синтезу. Если скорость альфа-нагрева выше, чем потери тепла в окружающую среду, результатом является самоподдерживающаяся цепная реакция, известная как воспламенение . [4] [5]
Сравнение входной энергии драйвера с выходной энергией синтеза дает число, известное как коэффициент усиления энергии синтеза , обозначенный Q. Для того, чтобы система производила чистую энергию, требуется значение Q не менее 1. Поскольку для работы реактора требуется некоторая энергия, для того, чтобы была чистая электрическая мощность, Q должно быть не менее 3. [6] Для коммерческой эксплуатации необходимы значения Q, намного превышающие эти. [7] Для ICF необходимы значения Q порядка 25–50, чтобы компенсировать как потери при выработке электроэнергии, так и большое количество энергии, используемой для питания драйвера. Осенью 1960 года теоретическая работа, проведенная в LLNL, показала, что прирост требуемого порядка будет возможен с драйверами порядка 1 МДж. [8]
В то время рассматривалось несколько различных драйверов, но появление лазера в конце того же года предоставило первое очевидное решение с правильным сочетанием характеристик. Желаемые энергии значительно превосходили уровень техники в лазерном дизайне, поэтому в середине 1960-х годов LLNL начала программу разработки, чтобы достичь этих уровней. [9] Каждое увеличение энергии приводило к новым и неожиданным оптическим явлениям, которые нужно было преодолеть, но они были в значительной степени решены к середине 1970-х годов. Работая параллельно с лазерными командами, физики, изучающие ожидаемую реакцию с использованием компьютерного моделирования, адаптированного из работы над термоядерной бомбой , разработали программу, известную как LASNEX , которая предполагала, что Q = 1 может быть получено на гораздо более низких уровнях энергии, в диапазоне килоджоулей, уровнях, которые теперь могла обеспечить лазерная команда. [10] [11]
С конца 1970-х годов LLNL разработала ряд машин для достижения условий, предсказанных LASNEX и другими симуляциями. С каждой итерацией экспериментальные результаты показывали, что симуляции были неверными. Первая машина, лазер Shiva конца 1970-х годов, производила сжатие порядка 50-100 раз, но не производила реакции синтеза где-либо вблизи ожидаемых уровней. Проблема была отнесена к проблеме инфракрасного лазерного света, нагревающего электроны и смешивающего их с топливом, и было высказано предположение, что использование ультрафиолетового света решит проблему. Это было решено в лазере Nova 1980-х годов, который был разработан с конкретной целью создания зажигания. Nova действительно производил большие количества синтеза, причем выстрелы производили до 107 нейтронов, но не смогли достичь зажигания. Это было связано с ростом неустойчивостей Рэлея-Тейлора , что значительно увеличило требуемую мощность драйвера. [12]
В конечном итоге все эти проблемы были признаны хорошо понятыми, и появилась гораздо более крупная конструкция, NIF. NIF был разработан для обеспечения примерно в два раза большей требуемой энергии привода, что допускало некоторую погрешность. Конструкция NIF была завершена в 1994 году, а строительство должно было быть завершено к 2002 году. Строительство началось в 1997 году, но заняло более десяти лет, а основное строительство было объявлено завершенным в 2009 году. [13]
В ходе разработки концепции ICF в LLNL и в других местах было предпринято несколько небольших попыток рассмотреть проект коммерческой электростанции на основе концепции ICF. Примерами являются SOLASE-H [14] и HYLIFE-II. [15] Поскольку NIF приближался к завершению в 2008 году, а различные проблемы считались решенными, LLNL начала более серьезную разработку IFE, LIFE. [16]
Когда проект LIFE был впервые предложен, он был сосредоточен на гибридной концепции ядерного синтеза-деления , которая использует быстрые нейтроны из реакций синтеза для индукции деления в воспроизводимых ядерных материалах . [17] Гибридная концепция была разработана для генерации энергии как из воспроизводимого, так и из расщепляющегося ядерного топлива и для сжигания ядерных отходов. [18] [19] [20] Топливный бланкет был разработан для использования топлива на основе TRISO, охлаждаемого расплавленной солью , изготовленной из смеси фторида лития (LiF) и фторида бериллия (BeF2 ) . [21]
Обычные атомные электростанции деления основаны на цепной реакции, вызванной тем, что при делении высвобождаются тепловые нейтроны, которые вызывают дальнейшие деления. Каждое деление U-235 высвобождает два или три нейтрона с кинетической энергией около 2 МэВ . Благодаря тщательному размещению и использованию различных поглощающих материалов проектировщики могут сбалансировать систему так, чтобы один из этих нейтронов вызывал другое деление, а другой или два терялись. Этот баланс известен как критичность . Природный уран представляет собой смесь трех изотопов; в основном U-238 , с некоторым количеством U-235 и следовыми количествами U-234. Нейтроны, высвобождаемые при делении любого из основных изотопов, вызовут деление U-235, но не U-238, для чего требуются более высокие энергии около 5 МэВ. В природном уране недостаточно U-235 для достижения критичности. Коммерческие легководные ядерные реакторы , наиболее распространенные энергетические реакторы в мире, используют ядерное топливо , содержащее уран, обогащенный до 3–5 % U-235, а остаток — U-238. [22] [23]
Каждое событие синтеза в реакторе термоядерного синтеза DT выделяет альфа-частицу и быстрый нейтрон с кинетической энергией около 14 МэВ. Этой энергии достаточно, чтобы вызвать деление U-238, а также многих других трансурановых элементов . Эта реакция используется в водородных бомбах для увеличения выхода секции термоядерного синтеза путем обертывания ее слоем обедненного урана , который подвергается быстрому делению при попадании нейтронов из бомбы термоядерного синтеза внутри. Та же самая базовая концепция может быть использована и в реакторе термоядерного синтеза, таком как LIFE, используя его нейтроны для того, чтобы вызвать деление в слое топлива деления. В отличие от реактора деления, который сжигает свое топливо, как только U-235 падает ниже определенного порогового значения, [a] эти гибридные реакторы деления-синтеза могут продолжать вырабатывать энергию из топлива деления до тех пор, пока реактор термоядерного синтеза продолжает поставлять нейтроны. Поскольку нейтроны обладают высокой энергией, они потенциально могут вызывать множественные события деления, приводящие к тому, что реактор в целом будет вырабатывать больше энергии, концепция, известная как умножение энергии . [25] Даже оставшееся ядерное топливо, взятое из обычных ядерных реакторов, будет гореть таким образом. Это потенциально привлекательно, поскольку это сжигает многие долгоживущие радиоизотопы в процессе, производя отходы, которые являются лишь умеренно радиоактивными и не содержат большинства долгоживущих компонентов. [17]
В большинстве проектов термоядерной энергетики нейтроны синтеза реагируют с слоем лития, чтобы произвести новый тритий для топлива. Основная проблема с проектом деления-синтеза заключается в том, что нейтроны, вызывающие деление, больше не доступны для воспроизводства трития. Хотя реакции деления высвобождают дополнительные нейтроны, у них недостаточно энергии для завершения реакции воспроизводства с Li-7, который составляет более 92% природного лития. Эти нейтроны с более низкой энергией вызовут воспроизводство в Li-6, который может быть сконцентрирован из природной литиевой руды. Однако реакция Li-6 производит только один тритий на захваченный нейтрон, и требуется более одного Т на нейтрон, чтобы компенсировать естественный распад и другие потери. [26] При использовании Li-6 нейтроны от деления компенсировали бы потери, но только ценой устранения их от возникновения других реакций деления, что снижает выходную мощность реактора. Конструктор должен выбрать, что важнее: сжигание топлива с помощью нейтронов синтеза или обеспечение энергии посредством самоиндуцированных событий деления. [27]
Экономичность проектов деления-синтеза всегда была под вопросом. Тот же базовый эффект может быть получен путем замены центрального реактора синтеза специально разработанным реактором деления и использования избыточных нейтронов от деления для воспроизводства топлива в бланкете. Эти быстрые реакторы-размножители оказались неэкономичными на практике, а более высокая стоимость систем синтеза в гибриде деления-синтеза всегда предполагала, что они будут неэкономичными, если не будут построены в очень больших блоках. [28]
Концепция LIFE прекратила работу по линии термоядерного синтеза-деления примерно в 2009 году. После консультаций с партнерами в коммунальной отрасли проект был переориентирован на чисто термоядерный дизайн с чистой электрической мощностью около 1 гигаватта. [29]
Инерционный термоядерный синтез является одним из двух основных направлений развития термоядерной энергетики, другим является термоядерный синтез с магнитным удержанием (MCF), в частности концепция токамака , которая строится в крупной экспериментальной системе, известной как ITER . Магнитное удержание широко считается превосходным подходом и значительно активизировалось в течение десятилетий. Однако существуют серьезные опасения, что подход MCF в ITER никогда не станет экономически практичным. [30]
Одной из проблем стоимости для проектов MCF, таких как ITER, является то, что материалы реактора подвергаются интенсивному потоку нейтронов , создаваемому реакциями синтеза. Когда нейтроны высокой энергии воздействуют на материалы, они смещают атомы в структуре, что приводит к проблеме, известной как нейтронное охрупчивание , которое ухудшает структурную целостность материала. Это проблема и для реакторов деления, но поток нейтронов и энергия в токамаке больше, чем в большинстве проектов деления. В большинстве проектов MFE реактор построен слоями с тороидальной внутренней вакуумной камерой или «первой стенкой», затем литиевым бланкетом и, наконец, сверхпроводящими магнитами , которые создают поле, ограничивающее плазму. Нейтроны, останавливающиеся в бланкете, желательны, но те, которые останавливаются в первой стенке или магнитах, ухудшают их. Разборка тороидального стека элементов была бы трудоемким процессом, который привел бы к плохому коэффициенту мощности , что существенно повлияло бы на экономику системы. Уменьшение этого эффекта требует использования экзотических материалов, которые еще не были разработаны. [31]
Как естественный побочный эффект размера топливных элементов и их результирующих взрывов, конструкции ICF используют очень большую реакционную камеру размером во много метров в поперечнике. Это снижает поток нейтронов на любой конкретной части стенки камеры через закон обратных квадратов . Кроме того, нет никаких магнитов или других сложных систем вблизи или внутри реактора, а лазер изолирован на дальней стороне длинных оптических путей. Дальняя сторона камеры пуста, что позволяет размещать там бланкет и легко обслуживать его. Хотя стенки реакционной камеры и конечная оптика в конечном итоге станут хрупкими и потребуют замены, камера по сути представляет собой большой стальной шар относительно простой многокомпонентной конструкции, которую можно заменить без особых усилий. Реакционная камера в целом значительно проще, чем в концепциях магнитного синтеза, и конструкции LIFE предполагали строительство нескольких и быстрое их ввод в эксплуатацию и вывод из эксплуатации. [32]
Лазер NIF использует систему больших импульсных трубок (подобных тем, что используются в фотовспышках) для оптической накачки большого количества стеклянных пластин. После того, как пластины вспыхнули и установились в инверсии населенности , небольшой сигнал от отдельного лазера подается в оптические линии, стимулируя излучение в пластинах. Затем пластины сбрасывают свою накопленную энергию в растущий луч, усиливая его в миллиарды раз. [33]
Процесс крайне неэффективен с точки зрения энергии; NIF подает на импульсные трубки более 400 МДж энергии, что дает 1,8 МДж ультрафиолетового (УФ) света. Из-за ограничений целевой камеры NIF способен обрабатывать выходы термоядерного синтеза только до 50 МДж, хотя выстрелы обычно составляют около половины этого. С учетом потерь при генерации, возможно, максимум может быть извлечено 20 МДж электроэнергии, что составляет менее 1 ⁄ 20 входной энергии. [33]
Другая проблема с лазерами NIF заключается в том, что импульсные трубки создают значительное количество тепла, которое нагревает лазерное стекло достаточно, чтобы вызвать его деформацию. Это требует длительного периода охлаждения между выстрелами, порядка 12 часов. На практике NIF обеспечивает частоту выстрелов менее одного выстрела в день. [34] Чтобы быть полезным в качестве электростанции, около дюжины выстрелов должны происходить каждую секунду, что значительно превышает возможности лазеров NIF.
Первоначально задуманное Наколсом, лазерное инерционное термоядерное удержание, как ожидалось, потребует лазеров в несколько сотен килоджоулей и будет использовать топливные капли, созданные с помощью парфюмерного тумана. [35] Исследования LLNL с того времени продемонстрировали, что такое устройство не может работать и требует механически обработанных сборок для каждого выстрела. Чтобы быть экономически полезным, машина IFE должна использовать топливные сборки, которые стоят копейки. Хотя LLNL не публикует цены на свои собственные мишени, аналогичная система в Лаборатории лазерной энергетики в Университете Рочестера производит мишени примерно за 1 миллион долларов каждая. [36] Предполагается, что мишени NIF стоят более 10 000 долларов. [37] [38]
LLNL начала изучать различные решения проблемы лазера, когда система была впервые описана. В 1996 году они построили небольшую испытательную систему, известную как лазер Mercury , которая заменила импульсные трубки лазерными диодами. [39]
Одним из преимуществ этой конструкции было то, что диоды создавали свет примерно той же частоты, что и выход лазерного стекла, [40] по сравнению с импульсными лампами белого света, где большая часть энергии вспышки тратилась впустую, поскольку она не была близка к активной частоте лазерного стекла. [41] Это изменение увеличило энергетическую эффективность примерно до 10%, что является существенным улучшением. [39]
Для любого заданного количества созданной световой энергии диодные лазеры выделяют около 1 ⁄ 3 тепла, чем импульсная лампа. Меньшее количество тепла в сочетании с активным охлаждением в виде гелия, продуваемого между диодами и слоями лазерного стекла, устраняет нагревание стекла и позволяет Mercury работать непрерывно. [40] В 2008 году Mercury мог стрелять 10 раз в секунду по 50 джоулей за выстрел в течение нескольких часов подряд. [39]
Несколько других проектов, работающих параллельно с Mercury, исследовали различные методы охлаждения и концепции, позволяющие упаковать множество лазерных диодов в очень малом пространстве. В конечном итоге они создали систему с 100 кВт лазерной энергии из коробки длиной около 50 сантиметров (20 дюймов), известную как диодная решетка. В конструкции LIFE эти решетки заменят менее плотную диодную упаковку конструкции Mercury. [39]
LIFE по сути был комбинацией концепций Mercury и новых физических компоновок, чтобы значительно уменьшить объем NIF, одновременно сделав его намного проще в сборке и обслуживании. В то время как линия луча NIF для одного из его 192 лазеров имеет длину более 100 метров (330 футов), LIFE был основан на конструкции длиной около 10,5 метров (34 фута), которая содержала все, от источников питания до оптики преобразования частоты. Каждый модуль был полностью независим, в отличие от NIF, который питается от центрального сигнала от главного генератора, что позволяло по отдельности снимать и заменять блоки, в то время как система в целом продолжала работать. [42]
Каждая ячейка драйвера в базовой конструкции LIFE содержала две матрицы диодов высокой плотности, расположенные по обе стороны большой пластины лазерного стекла. Решетки охлаждались через соединительные трубы на обоих концах модуля. Первоначальный лазерный импульс обеспечивался модулем предусилителя, аналогичным модулю из NIF, выход которого переключался на главный лучевой канал через зеркало и оптический переключатель ячейки Поккельса . Чтобы максимизировать энергию, вложенную в луч из лазерного стекла, оптические переключатели использовались для отправки луча на зеркала, чтобы отразить свет через стекло четыре раза, аналогично NIF. [40] Наконец, фокусировка и оптическая очистка обеспечивались оптикой по обе стороны стекла, прежде чем луч выходил из системы через преобразователь частоты на одном конце. [42]
Малый размер и независимость лазерных модулей позволили обойтись без огромного здания NIF. Вместо этого модули были расположены группами, окружавшими целевую камеру в компактном расположении. В базовых конструкциях модули были сложены группами шириной 2 и высотой 8 в два кольца над и под целевой камерой, пропуская свет через небольшие отверстия, просверленные в камере, чтобы защитить их от нейтронного потока, выходящего обратно. [43]
Конечной целью было создание системы, которую можно было бы доставить на электростанцию в обычном полуприцепе, обеспечивая лазерную энергию с 18% сквозной эффективностью, в 15 раз больше, чем у системы NIF. Это снижает требуемый прирост термоядерного синтеза до 25–50, в пределах прогнозируемых значений для NIF. Консенсус состоял в том, что эта система «луч-в-коробке» может быть построена за 3 цента на ватт лазерной мощности, и это снизит до 0,7 цента/Вт при устойчивом производстве. Это означало бы, что для полной установки LIFE потребуется около 600 миллионов долларов только на диоды, что существенно, но в пределах экономической возможности. [42]
Мишени для NIF чрезвычайно дороги. Каждая из них состоит из небольшого открытого металлического цилиндра с прозрачными двойными окнами, герметизирующими каждый конец. Для того, чтобы эффективно преобразовывать свет драйверного лазера в рентгеновские лучи , которые управляют сжатием, цилиндр должен быть покрыт золотом или другими тяжелыми металлами . Внутри, подвешенная на тонких пластиковых проволоках, находится полая пластиковая сфера, содержащая топливо. Для того, чтобы обеспечить симметричную имплозию, металлический цилиндр и пластиковая сфера имеют чрезвычайно высокие допуски на обработку. Топливо, обычно газ при комнатной температуре, помещается внутрь сферы, а затем криогенно замораживается, 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 мишень стоит десятки тысяч долларов. [37]
Чтобы решить эту проблему, значительная часть усилий LIFE была направлена на разработку упрощенных конструкций мишеней и автоматизированного строительства, что снизило бы их стоимость. Работая с General Atomics , команда LIFE разработала концепцию использования местных топливных заводов, которые массово производили бы гранулы со скоростью около миллиона в день. Ожидалось, что это снизит их цену примерно до 25 центов за цель, [44] хотя другие источники предполагают, что целевая цена была ближе к 50 центам, а собственные оценки LLNL варьируются от 20 до 30 центов. [45]
Менее очевидным преимуществом концепции LIFE является то, что количество трития, необходимое для запуска системы, значительно уменьшено по сравнению с концепциями MFE. В MFE относительно большое количество топлива готовится и помещается в реактор, требуя большую часть всего мирового гражданского запаса трития только для запуска. LIFE, благодаря крошечному количеству топлива в любой одной грануле, может начать работу с гораздо меньшим количеством трития, порядка 1 ⁄ 10 . [32]
Ранние проекты синтеза-деления не были хорошо проработаны, и были показаны только схематические очертания концепции. Эти системы выглядели как уменьшенная версия NIF, с каналами пучка длиной около 100 метров (330 футов) по обе стороны от целевой камеры и области генерации энергии. Лазер производил 1,4 МДж ультрафиолетового света 13 раз в секунду. Синтез происходил в целевой камере размером 2,5 метра (8 футов 2 дюйма), которая была окружена 40 короткими тоннами (36 000 кг) необогащенного топлива деления или, поочередно, около 7 коротких тонн (6 400 кг) Pu или высокообогащенного урана из оружия. Ожидалось, что система синтеза будет производить Q порядка 25–30, что приведет к 350–500 МВт энергии синтеза. Процессы деления, вызванные синтезом, добавят дополнительный прирост энергии в 4–10 раз, что приведет к общей тепловой мощности от 2000 до 5000 МВт тепл . Использование высокоэффективных систем преобразования тепловой энергии в электрическую, таких как конструкции цикла Ренкина, в сочетании с продемонстрированными сверхкритическими парогенераторами позволит превратить около половины тепловой мощности в электричество. [46] [47]
К 2012 году базовый проект концепции чистого термоядерного синтеза, известный как Market Entry Plant (MEP), [b] стабилизировался. Это был автономный проект, в котором вся секция термоядерного синтеза была упакована в цилиндрическое бетонное здание, похожее на здание для удержания реактора деления, хотя и большее по размеру — 100 метров (330 футов) в диаметре. [49] Центральное здание было окружено по бокам меньшими прямоугольными зданиями, одно из которых содержало турбины и системы обработки мощности, а другое — тритиевый завод. Третье здание, либо пристроенное к заводу, либо позади него в зависимости от схемы, использовалось для технического обслуживания. [50]
Внутри центрального здания термоядерного синтеза лазеры типа «луч в коробке» были расположены в два кольца, одно над и одно под камерой-мишенью. В общей сложности 384 лазера обеспечивали 2,2 МДж УФ-света на длине волны 0,351 мкм, [40] создавая Q = 21. Газовая пушка использовалась для выстреливания 15 целей в секунду в камеру-мишень. [51] С каждым выстрелом температура внутренней стенки камеры-мишени повышалась с 600 °C (1112 °F) до 800 °C (1470 °F). [52]
Целевая камера представляет собой двухстенную конструкцию, заполненную жидким литием или литиевым сплавом между стенками. [53] Литий захватывает нейтроны из реакций для воспроизводства трития, а также действует как первичный контур охлаждения. [54] Камера заполнена газом ксеноном , который замедляет ионы из реакции, а также защищает внутреннюю стенку, или первую стенку , от массивного потока рентгеновского излучения . [50] Поскольку камера не находится под высоким давлением, как ядро деления, ее не нужно строить как единую сферу. Вместо этого камера LIFE построена из восьми идентичных секций, которые включают встроенные соединения с контуром охлаждения. Они отправляются на завод и скрепляются болтами на двух опорах, а затем окружаются пространственной рамой на основе труб. [55]
Чтобы справиться с хрупкостью, вся целевая камера была спроектирована так, 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 месяц. Оптическая система отделена от камеры, что изолирует ее от вибраций во время работы и означает, что сами линии пучка не нужно перестраивать после замены камеры. [50]
Пиковая мощность генерации, или паспортная мощность , станции составляла около 400 МВт, а конструктивные особенности позволяли расширить ее до 1000 МВт. [56]
Нормированная стоимость электроэнергии (LCoE) может быть рассчитана путем деления общей стоимости строительства и эксплуатации энергогенерирующей системы в течение ее срока службы на общий объем электроэнергии, отправленной в сеть в течение этого периода. Сумма денег по сути является комбинацией капитальных затрат ( CAPEX ) завода и процентных платежей по этим CAPEX, а также дисконтированной стоимости топлива, технического обслуживания, необходимого для поддержания его работы, и его демонтажа, дисконтированных эксплуатационных расходов или OPEX. Количество электроэнергии обычно рассчитывается с учетом пиковой мощности, которую может производить завод, а затем корректируется с помощью коэффициента мощности (CF) для учета простоев из-за технического обслуживания или преднамеренного дросселирования. В качестве быстрого расчета можно проигнорировать инфляцию, альтернативные издержки и незначительные эксплуатационные расходы, чтобы разработать показатель качества для стоимости электроэнергии. [57]
MEP не планировалась как производственная конструкция и могла бы экспортировать только небольшие объемы электроэнергии. Однако она послужила бы основой для первой производственной модели LIFE.2. LIFE.2 будет производить 2,2 ГВт термоядерной энергии и преобразовывать ее в 1 ГВт электроэнергии с эффективностью 48%. [51] За год LIFE будет производить 365 дней x 24 часа x 0,9 коэффициента мощности x 1 000 000 кВт паспортной мощности = 8 миллиардов кВт·ч. 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 гранулы стоят предлагаемую цену в 50 центов за штуку, то это более 200 миллионов долларов в год на топливо для станции. Средний тариф на оптовую электроэнергию в США по состоянию на 2015 год [обновлять]составляет около 5 центов/кВт·ч, [58] поэтому коммерческая стоимость этой энергии составляет около 212 миллионов долларов, что говорит о том, что LIFE.2 в среднем едва покроет собственные затраты на топливо. [d]
CAPEX для завода оценивается в $6,4 млрд, поэтому финансирование завода в течение 20-летнего периода добавляет еще $5 млрд, предполагая 6,5% необеспеченной ставки. Учитывая только CAPEX и топливо, общая стоимость завода составляет 6,4 + 5 + 4 = $15,4 млрд. Разделив общую стоимость на энергию, произведенную за тот же период, получаем грубую оценку стоимости электроэнергии для 20-летнего срока эксплуатации: $15,4 млрд / 160 млрд кВт·ч = 9,6 центов/кВт·ч. 40-летний срок эксплуатации приведет к стоимости электроэнергии в размере 4,8 центов/кВт·ч. LLNL рассчитала LCOE LIFE.2 в размере 9,1 цента, используя методологию дисконтированных денежных потоков, описанную в отчете MIT 2009 года «Будущее ядерной энергетики». [51] [60] При использовании любого из этих значений LIFE.2 не сможет конкурировать с современными возобновляемыми источниками энергии , которые по состоянию на 2018 год стоят значительно ниже 5 центов/кВт·ч [обновлять]. [61]
LLNL прогнозировала, что дальнейшее развитие после широкого коммерческого развертывания может привести к дальнейшему совершенствованию технологий и снижению затрат, и предложила проект LIFE.3 с капитальными затратами около 6,3 млрд долларов США и паспортной мощностью 1,6 ГВт по цене за ватт 4,2 долл. США/Вт. Это приводит к прогнозируемой LCOE в 5,5 центов/кВт·ч, [51] что является конкурентоспособным с морским ветром по состоянию на 2018 год [обновлять], [62] но вряд ли будет таковым в 2040 году, когда начнется строительство проектов LIFE.3. [e] Станции LIFE будут оптовыми продавцами, конкурируя с базовой ставкой нагрузки около 5,3 цента/кВт·ч по состоянию на 2015 год [обновлять]. [58]
Секция паровой турбины электростанции, турбинный зал , обычно стоит около $1/Вт, а электрооборудование для подачи этой мощности в сеть стоит еще около $1/Вт. [64] Чтобы достичь прогнозируемых общих капитальных затрат, указанных в документах LIFE, это означает, что весь ядерный остров должен стоить около $4/Вт для LIFE.2 и чуть более $2/Вт для LIFE.3. Современные атомные станции, извлекающие выгоду из десятилетий коммерческого опыта и непрерывной проектной работы, стоят чуть менее $8/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. [65]
Строительство NIF было завершено в 2009 году, и лаборатория начала длительный период калибровки и настройки, чтобы вывести лазер на полную мощность. Установка достигла своей проектной мощности в 1,8 МДж УФ-излучения в 2012 году. [66] В этот период NIF начала проводить поэтапную программу, известную как Национальная кампания по зажиганию, с целью достижения зажигания к 30 сентября 2012 года. В конечном итоге кампания провалилась, поскольку возникли неожиданные проблемы с производительностью, которые не были предсказаны в моделировании. К концу 2012 года система производила наилучшие выстрелы, которые все еще составляли 1 ⁄ 10 давления, необходимого для достижения зажигания. [67]
Во время обзора прогресса после окончания кампании наблюдательный совет Национальной академии наук заявил, что «подходящим временем для создания национальной, скоординированной, широкомасштабной программы инерциальной термоядерной энергии в рамках Министерства энергетики является момент, когда будет достигнуто зажигание». [68] Они отметили, что «комиссия оценивает, что зажигание с использованием лазерного непрямого привода маловероятно в ближайшие несколько лет». [69]
Проект LIFE был тихо отменен в начале 2013 года. [70] Исполняющий обязанности директора LLNL Брет Кнапп прокомментировал этот вопрос, заявив, что «в центре наших усилий по инерционному удержанию термоядерного синтеза находится понимание зажигания в NIF, а не концепция LIFE. Пока не будет достигнут больший прогресс в зажигании, мы направим наши усилия на решение оставшихся фундаментальных научных проблем для достижения зажигания термоядерного синтеза». [1]
Медиа, связанные с Laser Inertial Fusion Energy на Wikimedia Commons