Магнитный целеуказанный термоядерный синтез ( MTF ) — это концепция термоядерной энергии , которая сочетает в себе особенности магнитного термоядерного синтеза (MCF) и инерциального термоядерного синтеза (ICF). Как и в магнитном подходе, термоядерное топливо удерживается при более низкой плотности магнитными полями, пока оно нагревается до состояния плазмы . Как и в инерциальном подходе, термоядерный синтез инициируется быстрым сжатием мишени для значительного увеличения плотности и температуры топлива. Хотя результирующая плотность намного ниже, чем в ICF, считается, что сочетание более длительного времени удержания и лучшего удержания тепла позволит MTF работать, но при этом его будет легче построить. Термин магнито-инерциальный термоядерный синтез (MIF) похож, но охватывает более широкий спектр схем. Эти два термина часто применяются взаимозаменяемо к экспериментам.
В термоядерном синтезе более легкие атомы объединяются, чтобы получить более тяжелые атомы. Самым простым топливом для этого являются изотопы водорода . [1] Обычно эти реакции происходят внутри плазмы. Плазма — это нагретый газ, в котором все электроны были удалены; газ был полностью ионизирован . Ионы заряжены положительно, поэтому они отталкиваются друг от друга из-за электростатической силы . Термоядерный синтез происходит, когда два иона сталкиваются при высокой энергии, позволяя сильной силе преодолеть электростатическое отталкивание на коротком расстоянии. Количество энергии, которое необходимо приложить, чтобы заставить ядра объединиться, называется кулоновским барьером или энергией термоядерного барьера . Чтобы термоядерный синтез произошел в объемной плазме, ее необходимо нагреть до десятков миллионов градусов и сжать при высоком давлении в течение достаточного количества времени. Вместе это называется тройным продуктом (см. критерий Лоусона ). [2] Исследования термоядерного синтеза сосредоточены на достижении максимально возможного тройного продукта.
Магнитный синтез позволяет нагревать разреженную плазму (10 14 ионов на см 3 ) до высоких температур, около20 кэВ (~200 миллионов C). Окружающий воздух примерно в 100 000 раз плотнее. Чтобы создать практический реактор при таких температурах, топливо должно быть ограничено в течение длительных периодов времени, порядка 1 секунды. В настоящее время строится конструкция токамака ИТЭР для проверки магнитного подхода с длительностью импульса до 20 минут.
Инерционный синтез пытается создать гораздо более высокую плотность,10 25 ионов на кубический см , что примерно в 100 раз больше плотности свинца . Это приводит к тому, что реакции происходят чрезвычайно быстро (~1 наносекунда). Ограничение не требуется; хотя тепло и частицы, создаваемые реакциями, заставят плазму взорваться наружу, скорость, с которой это происходит, меньше, чем у реакций синтеза.
По состоянию на 2018 год [обновлять]оба эти метода ядерного синтеза приближаются к уровню чистой энергии (Q>1) после многих десятилетий исследований, но остаются далекими от практических устройств для производства энергии.
В то время как MCF и ICF атакуют проблему критерия Лоусона с разных сторон, MTF пытается работать между ними. MTF стремится к плотности плазмы10 19 см −3 , промежуточное между MCF (10 14 см −3 ) и ICF (10 25 см −3 ) [3] При этой плотности время удержания должно быть порядка 1 мкс, снова промежуточное между двумя другими. MTF использует магнитные поля для замедления плазменных потерь, а инерционное сжатие используется для нагрева плазмы. [3]
В общих чертах, MTF — это инерционный метод. Плотность увеличивается за счет импульсной операции, которая сжимает топливо, нагревая плазму, так же как сжатие нагревает обычный газ. В традиционном ICF больше энергии добавляется через лазеры, которые сжимают цель, но эта энергия утекает через несколько каналов. MTF использует магнитное поле, которое создается до сжатия, которое ограничивает и изолирует топливо, поэтому теряется меньше энергии. Результатом, по сравнению с ICF, является несколько плотная, несколько горячая топливная масса, которая подвергается синтезу со средней скоростью реакции, поэтому ее нужно ограничивать только в течение среднего периода времени.
По мере сжатия топливной таблетки тепло и давление в плазме растут. Скорость коллапса обычно линейна, но давление зависит от объема, который увеличивается с кубом сжатия. В какой-то момент давления достаточно, чтобы остановить, а затем обратить вспять коллапс. Масса металлического вкладыша вокруг топлива означает, что этот процесс занимает некоторое время. Концепция MTF основана на том, что это время выдержки должно быть достаточно длительным для того, чтобы происходили процессы синтеза. [4]
MTF имеет преимущества как перед ICF, так и перед синтезом плазмы низкой плотности. Его энергетические затраты относительно эффективны и недороги, тогда как ICF требует специализированных высокопроизводительных лазеров, которые в настоящее время обеспечивают низкую эффективность. Стоимость и сложность этих лазеров, называемых «драйверами», настолько велики, что традиционные методы ICF остаются непрактичными для коммерческого производства энергии. Аналогично, хотя MTF нуждается в магнитном удержании для стабилизации и изоляции топлива во время его сжатия, необходимое время удержания в тысячи раз меньше, чем для MCF. Время удержания порядка, необходимого для MTF, было продемонстрировано в экспериментах MCF много лет назад.
Плотности, температуры и время удержания, необходимые для MTF, вполне соответствуют современному уровню техники и неоднократно демонстрировались. [5] Национальная лаборатория Лос-Аламоса назвала эту концепцию «дешевым путем к термоядерному синтезу».
В пионерском эксперименте FRX-L Национальной лаборатории Лос-Аламоса [6] плазма сначала создается при низкой плотности путем трансформаторной связи электрического тока через газ внутри кварцевой трубки (обычно это нетопливный газ для целей тестирования). Это нагревает плазму примерно до200 эВ (~2,3 миллиона градусов). Внешние магниты удерживают топливо внутри трубки. Плазма является электропроводящей, позволяя току проходить через нее. Этот ток генерирует магнитное поле, которое взаимодействует с током. Плазма устроена таким образом, что поля и ток стабилизируются внутри плазмы после ее установки, самоограничивая плазму. FRX-L использует для этой цели конфигурацию с обращенным полем . Поскольку температура и время удержания в 100 раз ниже, чем в MCF, удержание относительно легко организовать и не требует сложных и дорогих сверхпроводящих магнитов, используемых в большинстве современных экспериментов MCF.
FRX-L используется исключительно для создания плазмы, тестирования и диагностики. [3] Он использует четыре высоковольтных (до100 кВ ) конденсаторные батареи, запасающие до 1 МДж энергии для питанияТок 1,5 МА в одновитковых катушках магнитного поля, которые окружаютКварцевая трубка диаметром 10 см . [6] В своей нынешней форме в качестве генератора плазмы FRX-L продемонстрировал плотности между(2 и 4) × 10 16 см −3 , температуры100-250 эВ , магнитные поля2,5 Т и срок службы10–15 мкс . [7] Все эти величины находятся в пределах порядка величины , необходимой для машины с положительной энергией.
FRX-L позже был модернизирован для добавления системы «инжектора». [8] Она расположена вокруг кварцевой трубки и состоит из конического расположения магнитных катушек. При подаче питания катушки генерируют поле, сильное на одном конце трубки и слабее на другом, выталкивая плазму из большего конца. Для завершения системы инжектор планировалось разместить над фокусом существующей «дробилки банок» Shiva Star в Лаборатории направленной энергии Исследовательской лаборатории ВВС на базе ВВС Киртланд в Альбукерке, Нью-Мексико . [6]
В 2007 году эксперимент под названием FRCHX был поставлен на Shiva Star. [9] Подобно FRX-L, он использует область генерации и впрыскивает плазменный пучок в область сжатия лайнера Shiva Star. Shiva Star доставляет около 1,5 МДж в кинетическую энергию алюминиевого лайнера толщиной 1 мм, который цилиндрически сжимается примерно5 км/с . Это коллапсирует плазменный сгусток до плотности около5 × 10 18 см −3 и повышает температуру примерно до5 кэВ , производя нейтронный выход порядка10 12 нейтронов «за выстрел» с использованием DD-топлива. [9] Мощность, выделяемая в более крупных выстрелах, в диапазоне МДж, требует периода сброса оборудования порядка недели. Огромный электромагнитный импульс (ЭМИ), создаваемый оборудованием, создает сложную среду для диагностики.
Компания General Fusion of Canada в партнерстве с Управлением по атомной энергии Великобритании планирует построить демонстрационную установку в Калхэме , Англия, в качестве предшественника коммерчески жизнеспособной пилотной установки. Реакционный сосуд будет представлять собой быстро вращающийся цилиндр из жидкого металла ( свинец , включающий литий для сбора трития, образующегося в результате активации нейтронов ), который формируется в сферу под действием синхронизированных поршней, приводимых в движение паром. Намагниченное термоядерное топливо в виде плазмы впрыскивается в сферу по мере ее сжатия, создавая достаточную температуру и давление для протекания реакции термоядерного синтеза. Жидкий металл циркулирует через теплообменники для получения пара.
Ожидается, что строительство начнется в 2022 году, а эксплуатация — в 2025 году. [10] [11] [12]
MTF — не первый «новый подход» к термоядерной энергии. Когда в 1960-х годах был представлен ICF, это был радикально новый подход, нацеленный на создание практических термоядерных устройств к 1980-м годам. Другие подходы столкнулись с неожиданными проблемами, которые значительно увеличили сложность производства выходной мощности. С MCF это были неожиданные нестабильности в плазме при увеличении плотности или температуры. С ICF это были неожиданные потери энергии и трудности со «сглаживанием» пучков. Эти проблемы были частично решены в больших современных машинах, но только за большие деньги.
В общем смысле, проблемы MTF, по-видимому, похожи на проблемы ICF. Для эффективного производства энергии плотность должна быть увеличена до рабочего уровня, а затем удерживаться там достаточно долго, чтобы большая часть топливной массы подверглась синтезу. Это происходит, пока металлический лайнер вдавливается внутрь. Смешивание металла с термоядерным топливом «погасит» реакцию (проблема, которая возникает в системах MCF, когда плазма касается стенки сосуда). Аналогично, коллапс должен быть достаточно симметричным, чтобы избежать «горячих точек», которые могут дестабилизировать плазму во время ее горения.
Проблемы коммерческой разработки аналогичны проблемам любой из существующих конструкций термоядерных реакторов. Необходимость формирования магнитных полей высокой напряженности в фокусе машины противоречит необходимости извлечения тепла изнутри, что делает физическое расположение реактора сложной задачей. Кроме того, процесс термоядерного синтеза испускает большое количество нейтронов ( по крайней мере, в обычных реакциях), что приводит к нейтронному охрупчиванию , которое ухудшает прочность опорных конструкций и проводимость металлической проводки. В типичных схемах MCF нейтроны должны быть захвачены литиевой оболочкой для получения большего количества трития для подачи в качестве топлива, что еще больше усложняет общую конструкцию. Синтез дейтерия-дейтерия, конечно, избежал бы этого требования.
Другая проблема концепции MTF называется проблемой копейки . Копейка — это российская денежная единица, похожая на пенни или цент , с 100 копейками в рубле . При обменном курсе 75 рублей за доллар США копейка стоит немного. Название призвано намекнуть на крошечную ценность денег. [13]
Проблема в том, что металлические вкладыши, используемые в базовом MTF, расходуются в ходе реакции. Взамен устройство будет вырабатывать электроэнергию. Однако стоимость этой электроэнергии очень низкая, порядка нескольких пенни. Таким образом, для того, чтобы генерировать чистый положительный денежный поток, устройство должно вырабатывать огромное количество энергии за выстрел, нереально большое количество, или стоимость топливных сборок должна быть крошечной, около копейки. [14]
Были выявлены два потенциальных решения проблемы копейки; использование «горячего точечного зажигания» (также исследованное в традиционном ICF), по-видимому, позволяет значительно увеличить выделение энергии по сравнению с поступлением энергии, таким образом решая проблему со стороны усиления. Другой способ — попытаться переработать некоторые компоненты или, в случае систем с жидкостной стенкой, не терять материал изначально. [14]
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )