Коэффициент усиления энергии термоядерного синтеза , обычно обозначаемый символом Q , представляет собой отношение мощности термоядерного синтеза, вырабатываемой в термоядерном реакторе, к мощности, необходимой для поддержания плазмы в устойчивом состоянии . Условие Q = 1, когда мощность, выделяемая в результате термоядерных реакций, равна требуемой тепловой мощности, называется безубыточностью или, в некоторых источниках, научной безубыточностью .
Энергия, выделяемая реакциями синтеза, может быть захвачена внутри топлива, что приводит к самонагреву . Большинство реакций синтеза высвобождают по крайней мере часть своей энергии в форме, которая не может быть захвачена внутри плазмы, поэтому система при Q = 1 будет охлаждаться без внешнего нагрева. При использовании типичного топлива самонагрев в реакторах синтеза, как ожидается, не будет соответствовать внешним источникам, пока, по крайней мере, Q ≈ 5. Если Q увеличивается после этой точки, увеличение самонагрева в конечном итоге устраняет необходимость во внешнем нагреве. В этой точке реакция становится самоподдерживающейся, состояние, называемое зажиганием , и обычно считается крайне желательным для практических конструкций реакторов. Зажигание соответствует бесконечному Q. [1 ]
Со временем в лексикон термоядерного синтеза вошло несколько связанных терминов. Энергия, которая не улавливается внутри топлива, может быть уловлена извне для производства электроэнергии. Это электричество может быть использовано для нагрева плазмы до рабочих температур. Система, которая имеет автономное питание таким образом, называется работающей на уровне инженерной безубыточности . Работая выше инженерной безубыточности, машина будет производить больше электроэнергии, чем потребляет, и может продавать этот избыток. Та, которая продает достаточно электроэнергии, чтобы покрыть свои эксплуатационные расходы, 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 этих видах топлива, который достигает условий безубыточности, если был введен тритий, называется экстраполированной безубыточностью .
Текущий рекорд по самой высокой добротности в токамаке (зафиксированный во время реального DT-синтеза) был установлен JET при Q = 0,67 в 1997 году. Рекорд по Q ext (теоретическое значение добротности DT-синтеза, экстраполированное из результатов DD) в токамаке удерживается JT-60 с Q ext = 1,25, что немного превышает более ранний показатель JET Q ext = 1,14. В декабре 2022 года National Ignition Facility , установка инерционного удержания , достигла Q = 1,54 с выходом 3,15 МДж от лазерного нагрева 2,05 МДж, что остается рекордом для любой схемы термоядерного синтеза по состоянию на 2023 год [обновлять]. [2]
Q [a] — это просто сравнение мощности, выделяемой реакциями синтеза в реакторе, P fus , с постоянной мощностью нагрева, подаваемой, P heat , в нормальных рабочих условиях. Для тех конструкций, которые не работают в стационарном состоянии, а вместо этого импульсные, тот же расчет можно сделать, суммируя всю энергию синтеза, произведенную в P fus , и всю энергию, затраченную на создание импульса в P heat . [b] Однако существует несколько определений безубыточности, которые учитывают дополнительные потери мощности.
В 1955 году Джон Лоусон был первым, кто подробно исследовал механизмы баланса энергии, первоначально в секретных работах, но опубликовал их открыто в теперь уже известной статье 1957 года. В этой статье он рассмотрел и уточнил работу более ранних исследователей, в частности Ганса Тирринга , Питера Тонемана и обзорную статью Ричарда Поста . Расширяя все это, статья Лоусона сделала подробные прогнозы относительно количества мощности, которая будет потеряна через различные механизмы, и сравнила ее с энергией, необходимой для поддержания реакции. [3] Этот баланс сегодня известен как критерий Лоусона .
В успешной конструкции термоядерного реактора реакции синтеза генерируют количество энергии, обозначенное P fus . [c] Некоторое количество этой энергии, P loss , теряется посредством различных механизмов, в основном конвекции топлива к стенкам камеры реактора и различных форм излучения, которые не могут быть захвачены для генерации энергии. Для того чтобы реакция продолжалась, система должна обеспечивать нагрев, чтобы компенсировать эти потери, где P loss = P heat для поддержания теплового равновесия. [4]
Самое простое определение точки безубыточности : Q = 1, [d], то есть P fus = P heat .
Со временем были предложены новые типы устройств для термоядерного синтеза с различными операционными системами. Особо следует отметить концепцию инерционного термоядерного синтеза , или ICF. Магнитные подходы, сокращенно MCF, как правило, предназначены для работы в (квази)устойчивом состоянии. То есть плазма поддерживается в условиях термоядерного синтеза в течение времени, намного большего, чем время термоядерных реакций, порядка секунд или минут. Цель состоит в том, чтобы позволить большей части времени топлива пройти термоядерную реакцию. Напротив, реакции ICF длятся только в течение времени порядка десятков термоядерных реакций, и вместо этого пытаются обеспечить такие условия, чтобы большая часть топлива прошла термоядерную реакцию даже за этот очень короткий промежуток времени. Для этого устройства ICF сжимают топливо до экстремальных условий, где реакции саморазогрева происходят очень быстро. [5]
В устройстве MCF начальная плазма устанавливается и поддерживается большими магнитами, которым в современных сверхпроводящих устройствах требуется очень мало энергии для работы. После установки устойчивое состояние поддерживается путем впрыскивания тепла в плазму с помощью различных устройств. Эти устройства представляют собой подавляющее большинство энергии, необходимой для поддержания работы системы. Они также относительно эффективны, и, возможно, около половины подаваемого в них электричества в конечном итоге превращается в энергию в плазме. По этой причине P heat в устойчивом состоянии является чем-то довольно близким ко всей энергии, подаваемой в реактор, и эффективность систем нагрева, как правило, игнорируется. Когда рассматривается общая эффективность, то она, как правило, 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 требуемых условий, огромна, а устройства, которые это делают, как правило, лазеры , крайне неэффективны, около 1%. [6] Если бы кто-то использовал похожее определение P heat , то есть всей энергии, подаваемой в систему, то устройства ICF безнадежно неэффективны. Например, NIF использует более 400 МДж электроэнергии для получения выходной мощности 3,15 МДж. В отличие от MCF, эта энергия должна подаваться для того, чтобы зажечь каждую реакцию, а не просто запустить систему. [7] [8]
Сторонники ICF указывают, что можно использовать альтернативные «приводы», которые улучшат это соотношение как минимум в десять раз. Если кто-то пытается понять улучшения в производительности системы ICF, то интерес представляет не производительность приводов, а производительность самого процесса синтеза. Таким образом, типично определять P heat для устройств ICF как количество энергии привода, фактически попадающей в топливо, около 2 МДж в случае NIF. Используя это определение P heat , мы получаем Q = 1,5. Это, в конечном счете, то же самое определение, что используется в MCF, но потери вверх по потоку в этих системах меньше, и никаких различий не требуется.
Чтобы сделать это различие понятным, в современных работах это определение часто называют научной безубыточностью , Q sci или иногда Qplasma , чтобы противопоставить его похожим терминам. [9] [10]
Начиная с 1950-х годов большинство коммерческих проектов термоядерных реакторов основывались на смеси дейтерия и трития в качестве основного топлива; другие виды топлива имеют привлекательные характеристики, но их гораздо сложнее воспламенить. Поскольку тритий радиоактивен, обладает высокой биоактивностью и высокой мобильностью, он представляет собой значительную проблему безопасности и увеличивает стоимость проектирования и эксплуатации такого реактора. [11]
Для снижения затрат многие экспериментальные машины проектируются для работы на испытательном топливе из водорода или дейтерия, исключая тритий. В этом случае термин экстраполированный безубыток , Q ext , используется для определения ожидаемой производительности машины, работающей на DT-топливе, на основе производительности при работе только на водороде или дейтерии. [12]
Рекорды экстраполированной безубыточности немного выше, чем рекорды научной безубыточности. И JET, и JT-60 достигли значений около 1,25 (подробности см. ниже) при работе на топливе DD. При работе на DT, возможном только в JET, максимальная производительность составляет около половины экстраполированного значения. [13]
Другой связанный термин, инженерный безубыток , обозначаемый Q E , Q eng или Q total в зависимости от источника, учитывает необходимость извлечения энергии из реактора, превращения ее в электрическую энергию и подачи части ее обратно в систему отопления. [12] Этот замкнутый цикл, отправляющий электроэнергию из термоядерного синтеза обратно в систему отопления, известен как рециркуляция . В этом случае базовое определение изменяется путем добавления дополнительных членов к стороне P fus для учета эффективности этих процессов. [14]
Реакции DT высвобождают большую часть своей энергии в виде нейтронов и меньшее количество в виде заряженных частиц, таких как альфа-частицы . Нейтроны электрически нейтральны и будут выходить из любой плазмы, прежде чем они смогут вернуть ей энергию. Это означает, что только заряженные частицы из реакций могут быть захвачены внутри топливной массы и вызвать самонагрев. Если доля энергии, выделяемой в заряженных частицах, равна f ch , то мощность в этих частицах равна P ch = f ch P fus . Если этот процесс самонагревания совершенен, то есть вся P ch захвачена в топливе, это означает, что мощность, доступная для выработки электроэнергии, — это мощность, которая не выделяется в этой форме, или (1 − f ch ) P fus . [15]
В случае нейтронов, несущих большую часть практической энергии, как в случае с DT-топливом, эта нейтронная энергия обычно улавливается в «бланкете » лития , который производит больше трития, используемого в качестве топлива для реактора. Из-за различных экзотермических и эндотермических реакций бланкет может иметь коэффициент усиления мощности M R . M R обычно составляет порядка 1,1–1,3, что означает, что он также производит небольшое количество энергии. Чистый результат, общее количество энергии, высвобождаемое в окружающую среду и, таким образом, доступное для производства энергии, называется P R , чистая выходная мощность реактора. [15]
Затем бланкет охлаждается, а охлаждающая жидкость используется в теплообменнике, приводящем в действие обычные паровые турбины и генераторы. Затем это электричество возвращается в систему отопления. [15] Каждый из этих этапов в цепочке генерации имеет свою эффективность, которую следует учитывать. В случае плазменных систем нагрева она составляет порядка 60–70%, в то время как современные системы генераторов, основанные на цикле Ренкина, имеют около 35–40%. Объединяя их, мы получаем чистую эффективность контура преобразования энергии в целом, около 0,20–0,25. То есть, около 20–25% может быть рециркулировано. [15]
Таким образом, коэффициент усиления энергии термоядерного синтеза, необходимый для достижения инженерной безубыточности, определяется как: [16]
Чтобы понять, как используется, рассмотрим реактор, работающий на 20 МВт и Q = 2. Q = 2 при 20 МВт подразумевает, что P heat составляет 10 МВт. Из этих исходных 20 МВт около 20% приходится на альфа-частицы, поэтому, предполагая полный захват, 4 МВт P heat поставляются самостоятельно. Нам нужно всего 10 МВт тепла и получить 4 из них через альфа-частицы, поэтому нам нужно еще 6 МВт мощности. Из исходных 20 МВт выходной мощности 4 МВт остаются в топливе, поэтому у нас есть 16 МВт чистой выходной мощности. Используя M R 1,15 для бланкета, мы получаем P R около 18,4 МВт. Предполагая, что good 0,25, это требует 24 МВт P R , поэтому реактор при Q = 2 не может достичь инженерной безубыточности. При Q = 4 требуется 5 МВт нагрева, 4 из которых поступают от синтеза, оставляя 1 МВт требуемой внешней мощности, которую можно легко получить при чистой мощности 18,4 МВт. Таким образом, для этой теоретической конструкции Q E находится между 2 и 4.
Принимая во внимание реальные потери и эффективность, для устройств с магнитным удержанием обычно указываются значения Q от 5 до 8 , [15] в то время как инерционные устройства имеют значительно более низкие значения и, следовательно, требуют гораздо более высоких значений Q, порядка от 50 до 100. [17]
По мере повышения температуры плазмы скорость реакций синтеза быстро растет, а вместе с ней и скорость саморазогрева. Напротив, неуловимые потери энергии, такие как рентгеновские лучи, не растут с той же скоростью. Таким образом, в целом, процесс саморазогрева становится более эффективным по мере повышения температуры, и требуется меньше энергии из внешних источников для поддержания его в горячем состоянии. [18]
В конце концов P heat достигает нуля, то есть вся энергия, необходимая для поддержания плазмы при рабочей температуре, поступает за счет самонагрева, а количество внешней энергии, которое необходимо добавить, падает до нуля. Эта точка известна как воспламенение . В случае DT-топлива, где только 20% энергии выделяется в виде альфа-частиц, вызывающих самонагрев, это не может произойти, пока плазма не начнет выделять по крайней мере в пять раз больше мощности, необходимой для поддержания ее рабочей температуры. [18]
Зажигание, по определению, соответствует бесконечному Q , но это не означает, что f recirc падает до нуля, поскольку другие потребители энергии в системе, такие как магниты и системы охлаждения, по-прежнему нуждаются в питании. Однако, как правило, они намного меньше энергии в нагревателях и требуют гораздо меньшего f recirc . Что еще более важно, это число, скорее всего, будет почти постоянным, что означает, что дальнейшее улучшение характеристик плазмы приведет к большему количеству энергии, которая может быть напрямую использована для коммерческой генерации, в отличие от рециркуляции. [19]
Окончательное определение безубыточности — это коммерческая безубыточность , которая имеет место, когда экономическая стоимость любой чистой электроэнергии, оставшейся после рециркуляции, достаточна для оплаты реактора. [12] Эта стоимость зависит как от капитальных затрат реактора , так и от любых связанных с этим финансовых затрат, его эксплуатационных расходов, включая топливо и техническое обслуживание, а также спотовой цены на электроэнергию. [12] [20]
Коммерческая безубыточность зависит от факторов, находящихся вне технологии самого реактора, и возможно, что даже реактор с полностью зажженной плазмой, работающий далеко за пределами инженерной безубыточности, не будет вырабатывать достаточно электроэнергии достаточно быстро, чтобы окупить себя. Могут ли какие-либо из основных концепций, таких как ИТЭР, достичь этой цели, обсуждается в этой области. [21]
Большинство конструкций термоядерных реакторов, изучаемых по состоянию на 2017 год, [обновлять]основаны на реакции DT, поскольку ее гораздо легче всего зажечь, и она является энергоплотной. [22] Эта реакция выделяет 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 становится равным внешнему нагреву, пока по крайней мере Q = 5. [18]
Значения эффективности зависят от деталей конструкции, но могут находиться в диапазоне η heat = 0,7 (70%) и η elec = 0,4 (40%). Целью термоядерного реактора является производство энергии, а не ее рециркуляция, поэтому практический реактор должен иметь f recirc = приблизительно 0,2. Лучше было бы ниже, но этого будет трудно достичь. Используя эти значения, мы находим для практического реактора Q = 22. [23]
Используя эти значения и учитывая ITER, реактор вырабатывает 500 МВт термоядерной энергии для 50 МВт поставок. Если 20% выхода — это самонагрев, это означает утечку 400 МВт. Предполагая то же самое η heat = 0,7 и η elec = 0,4, ITER (теоретически) может вырабатывать до 112 МВт тепла. Это означает, что ITER будет работать на инженерной безубыточности. Однако ITER не оборудован системами извлечения энергии, поэтому это остается теоретическим до появления последующих машин, таких как DEMO .
Многие ранние термоядерные устройства работали в течение микросекунд, используя какой-либо импульсный источник питания для питания своей магнитной системы удержания, используя при этом сжатие от удержания в качестве источника нагрева. Лоусон определил безубыточность в этом контексте как общую энергию, высвобождаемую за весь цикл реакции, по сравнению с общей энергией, подаваемой в машину за тот же цикл. [13] [23]
Со временем, по мере того как производительность увеличивалась на порядки, время реакции увеличилось с микросекунд до секунд, и ИТЭР спроектирован так, чтобы иметь выстрелы, которые длятся несколько минут. В этом случае определение «полного цикла реакции» становится размытым. Например, в случае зажженной плазмы P heat может быть довольно высоким, пока система настраивается, а затем упасть до нуля, когда она полностью разовьется, поэтому может возникнуть соблазн выбрать момент времени, когда она работает наилучшим образом, чтобы определить высокое или бесконечное Q . Лучшим решением в этих случаях является использование исходного определения Лоусона, усредненного по реакции, чтобы получить значение, аналогичное исходному определению. [13]
Есть еще одно осложнение. Во время фазы нагрева, когда система доводится до рабочих условий, часть энергии, выделяемой реакциями 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 усреднить по всему циклу, эта энергия будет включена как часть нагревательного члена, то есть часть энергии, которая была захвачена для нагрева, в противном случае была бы выделена в P fus и, следовательно, не является показателем рабочего Q . [13]
Операторы реактора JET утверждали, что этот вклад следует исключить из общего: где:
То есть P temp — это мощность, применяемая для повышения внутренней энергии плазмы. Именно это определение использовалось при сообщении рекордного значения JET 0,67. [13]
Некоторые дебаты по поводу этого определения продолжаются. В 1998 году операторы JT-60 заявили, что достигли Q = 1,25, работая на топливе DD, таким образом достигнув экстраполированной безубыточности. Это измерение было основано на определении Q* JET. Используя это определение, JET также достиг экстраполированной безубыточности некоторое время назад. [24] Если рассмотреть энергетический баланс в этих условиях и анализ предыдущих машин, то утверждается, что следует использовать первоначальное определение, и, таким образом, обе машины остаются значительно ниже безубыточности любого рода. [13]
Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса (LLNL), лидер в исследованиях ICF, использует модифицированный Q , который определяет P heat как энергию, передаваемую драйвером в капсулу, в отличие от энергии, передаваемой драйверу внешним источником питания. Это определение дает гораздо более высокие значения Q и изменяет определение безубыточности на P fus / P laser = 1. Иногда они называли это определение «научной безубыточностью». [25] [26] Этот термин не использовался повсеместно; другие группы приняли переопределение Q , но продолжали называть P fus = P laser просто безубыточностью. [27]
7 октября 2013 года LLNL объявила, что примерно неделей ранее, 29 сентября, она достигла научного безубыточности в Национальном центре зажигания (NIF). [28] [29] [30] В этом эксперименте P fus составляла приблизительно 14 кДж, в то время как выход лазера составлял 1,8 МДж. Согласно их предыдущему определению, это было бы Q = 0,0077. Для этого пресс-релиза они снова переопределили Q , на этот раз приравняв P heat только к количеству энергии, доставленной в «самую горячую часть топлива», подсчитав, что только 10 кДж исходной энергии лазера достигли части топлива, которая подвергалась реакциям синтеза. Этот релиз подвергся резкой критике в этой области. [31] [32]
17 августа 2021 года NIF объявил, что в начале августа 2021 года эксперимент достиг значения Q 0,7, вырабатывая 1,35 МДж энергии из топливной капсулы путем фокусировки 1,9 МДж лазерной энергии на капсуле. Результатом стало восьмикратное увеличение по сравнению с любым предыдущим выходом энергии. [33]
13 декабря 2022 года Министерство энергетики США объявило, что 5 декабря 2022 года NIF превысил ранее неуловимый рубеж Q ≥ 1. Это было достигнуто путем производства 3,15 МДж после поставки 2,05 МДж к целевому показателю, что эквивалентно Q 1,54. [34] [35]
